場(chǎng)論基礎(chǔ)知識(shí)

(2)下作相應(yīng)的變換\o"查看圖片"

公式由它定義的場(chǎng)強(qiáng)正好為麥克斯韋方程組所描述，它與波函數(shù)ψ所描述的帶電粒子的相互作用，正好是熟知的電磁相互作用，因此，它就是電磁場(chǎng)的矢量勢(shì)。這樣，就完成了由韋耳開頭嘗試的從定域規(guī)范變換不變性導(dǎo)出電磁理論的工作。只是，規(guī)范變換已經(jīng)從原來(lái)的定義換成由式(1)及(2)所規(guī)定的相位的變換，前者與時(shí)空無(wú)關(guān)，稱為整體規(guī)范變換，后者與時(shí)空有關(guān)，稱為定域規(guī)范變換。由定域規(guī)范變換下不變性所要求存在的場(chǎng)，稱為規(guī)范場(chǎng)。變換(2)在數(shù)學(xué)上構(gòu)成單參數(shù)的幺正變換群U(1)，這種變換往往被稱為U（1）定域規(guī)范變換。電磁場(chǎng)就是U(1)定域規(guī)范變換不變性所要求的規(guī)范場(chǎng)。這種場(chǎng)的量子就是光子，它的質(zhì)量為零，自旋為媡,是傳遞電磁作用【它在U(1)定域規(guī)范變換下不變】的量子。編輯本段阿貝耳規(guī)范場(chǎng)和非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)很早發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子是同一種粒子──核子的兩個(gè)不同的狀態(tài)，它們具有一種新的量子數(shù)──同位旋，核力在同位旋空間的轉(zhuǎn)動(dòng)下具有不變的性質(zhì)。上述U(1)幺正變換群是可以對(duì)易的。即先后兩次變換的次序可以對(duì)易，在數(shù)學(xué)上稱為阿貝耳群,而同位旋的轉(zhuǎn)動(dòng)變換也構(gòu)成一個(gè)3參量的幺正幺模變換群SU(2)，它是不可對(duì)易的,在數(shù)學(xué)上稱為非阿貝耳群。核子的波函數(shù)在同位旋的轉(zhuǎn)動(dòng)下的性質(zhì)也可以表示為一種相位的變換,不過(guò)與U(1)變換的情況不同,這里的相位的改變含有3個(gè)參量,在相位的整體變換（整體規(guī)范變換）下的不變性，意味著同位旋的守恒。在20世紀(jì)30年代就建立了具有整體同位旋不變性的核子力理論。到了50年代，發(fā)現(xiàn)的粒子越來(lái)越多，它們之間的相互作用也顯得越來(lái)越紛繁，楊振寧認(rèn)識(shí)到必須尋找決定相互作用的原則。U(1)定域不變性只決定電磁相互作用。楊振寧嘗試建立更普遍的導(dǎo)致相互作用的具有定域不變性的理論。1954年，楊振寧和R.L.密耳斯提出具有定域同位旋不變性的理論,發(fā)現(xiàn)必須引進(jìn)三種矢量規(guī)范場(chǎng),它們形成同位旋轉(zhuǎn)動(dòng)群SU(2)的伴隨表示。他們發(fā)現(xiàn)這些規(guī)范場(chǎng)的量子的自旋為媡，同位旋為1,電荷分別為e、-e和0,但他們無(wú)法判定其質(zhì)量多大。這一理論和電磁理論都具有定域不變性,但它們之間有一點(diǎn)重要的差別,光子之間不存在直接的相互作用，而楊振寧和密耳斯提出的理論中的規(guī)范場(chǎng)的量子之間有直接的相互作用。楊振寧和密耳斯的討論可直接推廣到其他非阿貝耳規(guī)范變換群的情況。如果規(guī)范變換群是阿貝耳群，則定域規(guī)范變換不變性所規(guī)定的規(guī)范場(chǎng)稱為阿貝耳規(guī)范場(chǎng)；如果規(guī)范變換群是非阿貝耳群，則定域規(guī)范變換不變性所規(guī)定的規(guī)范場(chǎng)稱為非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)。編輯本段規(guī)范場(chǎng)的力程為了研究規(guī)范場(chǎng)的力程,楊振寧和李政道于1955年研究發(fā)現(xiàn)如果重子數(shù)守恒定律（見重子）是一種定域不變性的后果，則這種定域不變性所導(dǎo)致的阿貝耳規(guī)范場(chǎng)理論的數(shù)學(xué)形式和電磁場(chǎng)理論的數(shù)學(xué)形式十分相像，必然成為傳遞一種長(zhǎng)程力的媒介。但在實(shí)驗(yàn)上沒有觀察到這種長(zhǎng)程力。這就在一段時(shí)間內(nèi)使人們除電磁現(xiàn)象以外，不知道如何在物理上具體應(yīng)用規(guī)范場(chǎng)理論。1964年P(guān).W.黑格斯等人指出，如果真空的這種對(duì)稱性不是嚴(yán)格的，而是按一定方式破缺──真空對(duì)稱性自發(fā)破缺──的話，則規(guī)范場(chǎng)的量子可以具有質(zhì)量。因此,規(guī)范場(chǎng)的量子可以是無(wú)質(zhì)量的或有質(zhì)量的,視真空的相應(yīng)的對(duì)稱性是嚴(yán)格的或破缺的而定。編輯本段規(guī)范場(chǎng)和基本相互作用物理規(guī)律在定域規(guī)范變換下的不變性，必然導(dǎo)致規(guī)范場(chǎng)的存在，使由規(guī)范場(chǎng)傳遞的，粒子之間在此定域規(guī)范變換下的不變的相互作用有確定的形式。能否把四種已知的相互作用──電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用和引力相互作用，都用規(guī)范變換的對(duì)稱原理推導(dǎo)出來(lái)，這是一個(gè)很有吸引力的想法。在1967年及1968年，S.溫伯格和A.薩拉姆把黑格斯等人提出的使非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)獲得質(zhì)量的真空對(duì)稱性自發(fā)破缺的機(jī)制（黑格斯機(jī)制），用于由S.L.格拉肖提出的弱作用與電磁作用所具有的SU(2)×U(1)群規(guī)范對(duì)稱性，用定域規(guī)范變換不變?cè)韺煞N相互作用統(tǒng)一起來(lái)：對(duì)稱性自發(fā)破缺以后剩下一個(gè)不破缺的電磁規(guī)范不變性，相應(yīng)的規(guī)范場(chǎng)量子是無(wú)質(zhì)量的光子，其余三種規(guī)范場(chǎng)量子是有質(zhì)量的矢量粒子W±和Z0，它們傳遞弱相互作用。這個(gè)理論的許多預(yù)言，都經(jīng)受了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，特別是它預(yù)言的三個(gè)粒子W±和Z0，已分別在1983年1月和6月被發(fā)現(xiàn)，而且其性質(zhì)與理論預(yù)言的相符。目前這個(gè)理論已被接受為電磁作用與弱作用的基本理論（見電弱統(tǒng)一理論）。1964年,在M.蓋耳－曼和G.茲韋克提出強(qiáng)子由夸克構(gòu)成的圖像之后，就開始了把強(qiáng)相互作用建立在夸克之間的相互作用上的嘗試。隨后發(fā)現(xiàn)，夸克具有一種新的量子數(shù)──色荷,相應(yīng)的對(duì)稱性是在色空間中轉(zhuǎn)動(dòng)的SU(3)變換下的不變性。建立在SU(3)定域規(guī)范變換下不變性的強(qiáng)作用的理論，就是量子色動(dòng)力學(xué)，相應(yīng)的規(guī)范場(chǎng)的量子是膠子,共有8種。量子色動(dòng)力學(xué)是目前研究得最多的強(qiáng)作用理論。電弱相互作用統(tǒng)一理論的成就，促使物理學(xué)家探討把各種相互作用在規(guī)范對(duì)稱性的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)的可能性。把電、弱、強(qiáng)三種作用統(tǒng)一起來(lái)的嘗試，稱為大統(tǒng)一理論。每個(gè)纖維叢有個(gè)連續(xù)滿射π:E→B使得E對(duì)于某個(gè)F(稱為纖維空間)局部看來(lái)象直積空間B×F(這里局部表示在B上局部。)一個(gè)可以整體上如此表達(dá)的叢(通過(guò)一個(gè)保持π的同胚)叫做平凡叢。叢的理論建立在如何用一些比這個(gè)直接的定義更簡(jiǎn)單的方法表達(dá)叢不是平凡叢的意義的問(wèn)題之上。纖維叢擴(kuò)展了矢量叢，矢量叢的主要實(shí)例就是流形的切叢。他們?cè)谖⒎滞負(fù)浜臀⒎謳缀晤I(lǐng)域有著重要的作用。他們也是規(guī)范場(chǎng)論的基本概念。編輯本段形式化定義一個(gè)纖維叢由四元組(E,B,π,F)組成,其中E,B,F是拓?fù)淇臻g而π:E→B是一個(gè)連續(xù)滿射，滿足下面給出的局部平凡條件。B稱為叢的基空間，E稱為總空間,而F稱為纖維。映射π稱為投影映射.下面我們假定基空間B是連通的。我們要求對(duì)于B中的每個(gè)x,存在一個(gè)x的開鄰域U，使得π?1(U)是同胚于積空間U×F的,并滿足π轉(zhuǎn)過(guò)去就變成到第一個(gè)因子的投影。也就是一下的圖可交換:其中Proj1:U×F→U是自然投影而φ:π^-1(U)→U×F是一個(gè)同胚。所有{(U,φ)}的集合稱為叢的局部平凡化。對(duì)于B中每個(gè)x,原象π^-1(x)和F同胚并稱為x上的纖維.一個(gè)纖維叢(E,B,π,F)經(jīng)常記為以引入一個(gè)空間的短恰當(dāng)序列。注意每個(gè)纖維從π:E→B都是一個(gè)開映射,因?yàn)榉e空間的投影是開映射。所以B有由映射π決定的商拓?fù)?一個(gè)光滑纖維叢是一個(gè)在光滑流形的范疇內(nèi)的纖維叢。也就是，E,B,F都必須是光滑流形而所有上面用到的函數(shù)都必須是光滑映射。這是纖維叢研究和使用的通常環(huán)境。編輯本段例子令E=B×F并令π:E→B為對(duì)第一個(gè)因子的投影，則E是B上的叢.這里E不僅是局部的積而且是整體的積。任何這樣的纖維叢稱為平凡叢.莫比烏斯帶是圓上的非平凡叢。最簡(jiǎn)單的非平凡叢的例子可能要算莫比烏斯帶(Möbiusstrip).莫比烏斯帶是一個(gè)以圓為基空間B并以線段為纖維F的叢。對(duì)于一點(diǎn)的鄰域是一段圓??；在圖中，就是其中一個(gè)方塊的長(zhǎng)。原象π^-1(x)在圖中是個(gè)(有些扭轉(zhuǎn)的)切片，4個(gè)方塊寬一個(gè)方塊長(zhǎng)。同胚φ把U的原象映到柱面的一塊:彎曲但不扭轉(zhuǎn).相應(yīng)的平凡叢B×F看起來(lái)像一個(gè)圓柱,但是莫比烏斯帶有個(gè)整體上的扭轉(zhuǎn)。注意這個(gè)扭轉(zhuǎn)只有整體上才能看出來(lái)；局部看來(lái)莫比烏斯帶和圓柱完全一樣(在其中任何一個(gè)豎直的切一刀會(huì)產(chǎn)生同樣的空間).一個(gè)類似的非平凡叢是克萊因瓶，它可以看作是一個(gè)"扭轉(zhuǎn)"的圓在另一個(gè)圓上的叢。相應(yīng)的平凡叢是一個(gè)環(huán)，S1×S1.一個(gè)覆蓋空間是一個(gè)以離散空間為纖維的纖維叢。纖維叢的一個(gè)特例，叫做矢量叢,是那些纖維為矢量空間的叢(要成為一個(gè)矢量叢，叢的結(jié)構(gòu)群—見下面—必須是一個(gè)線性群)。矢量叢的重要實(shí)例包括光滑流形的切叢和余切叢。另一個(gè)纖維叢的特例叫做主叢。更多的例子參看該條目。一個(gè)球叢是一個(gè)纖維為n-球的纖維叢。給定一個(gè)有度量的矢量叢(例如黎曼流形的切叢),可以構(gòu)造一個(gè)相應(yīng)的單位球叢,其在一點(diǎn)x的纖維是所有Ex的單位矢量的集合.編輯本段纖維叢的截面纖維叢的截面(section或者crosssection)是一個(gè)連續(xù)映射f:B→E使得π(f(x))=x對(duì)于所有B中的x成立。因?yàn)閰餐ǔ]有全局有定義的截面，理論的一個(gè)重要作用就是檢驗(yàn)和證明他們的存在性。這導(dǎo)致了代數(shù)拓?fù)涞奶卣黝惱碚?。纖維叢的局部截面是一個(gè)連續(xù)映射截面經(jīng)常只被局部的定義(特別是當(dāng)全局截面不存在時(shí))。纖維叢的局部截面是一個(gè)連續(xù)映射f:U→E其中U是一個(gè)B中的開集而π(f(x))=x對(duì)所有U中的x成立。若(U,φ)是一個(gè)局部平凡化圖，則局部截面在U上總是存在的。這種截面和連續(xù)映射U→F有1-1對(duì)應(yīng)。截面的集合組成一個(gè)層(sheaf)。結(jié)構(gòu)群(Structuregroups)和轉(zhuǎn)換函數(shù)(transitionfunctions)纖維叢對(duì)稱群描述重疊的圖之間的兼容條件纖維叢經(jīng)常有一個(gè)對(duì)稱群描述重疊的圖之間的兼容條件。特別的，令G為一個(gè)拓?fù)淙?，它連續(xù)的從左邊作用在纖維空間F上。不失一般性的，我們可以要求G有效的作用在F上，以便把它看成是F的同胚群。叢的一個(gè)G-圖集(E,B,π,F)是一個(gè)局部平凡化，使得對(duì)任何兩個(gè)重疊的圖(Ui,φi)和(Uj,φj)函數(shù)可以這樣給出:其中是一個(gè)稱為變化函數(shù)的連續(xù)映射。兩個(gè)G-圖集等效如果他們的并也是一個(gè)G-圖集。一個(gè)G-叢是一個(gè)有G-圖集等價(jià)類的纖維叢。群G成為該叢的結(jié)構(gòu)群.在光滑范疇中，一個(gè)G-叢是一個(gè)光滑纖維叢，其中G是一個(gè)李群而相應(yīng)的在F上的作用是光滑的并且變換函數(shù)都是光滑映射。變換函數(shù)tij滿足以下條件tii(x)=1tij(x)=tji(x)^-1tik(x)=tij(x)tjk(x)這三個(gè)條件用到重疊的三元組上叫做余鏈條件cocyclecondition(見?ech上同調(diào)).一個(gè)主叢是一個(gè)G-叢，其纖維可以認(rèn)為是G本身，并且有一個(gè)在全空間上的G的右作用保持纖維不變。弦理論是一門理論物理學(xué)上的學(xué)說(shuō)。理論里的物理模型認(rèn)為組成所有物質(zhì)的最基本單位是一小段“能量弦線”，大至星際銀河，小至電子，質(zhì)子，夸克一類的基本粒子都是由這占有二維時(shí)空的“能量線”所組成。中文的翻譯上，一般是譯作“弦”.超弦理論可以解決和黑洞相關(guān)的問(wèn)題\o"查看圖片"

弦理論在弦理論中，基本對(duì)象不是占據(jù)空間單獨(dú)一點(diǎn)的基本粒子，而是一維的弦。這些弦可以有端點(diǎn)，或者他們可以自己連接成一個(gè)閉合圈環(huán)。正如小提琴上的弦，弦理論中支持一定的振蕩模式，或者共振頻率，其波長(zhǎng)準(zhǔn)確地配合。\o"查看圖片"

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弦理論右3張圖片編輯:張嘉年編輯本段模型建立較早時(shí)期所建立的粒子學(xué)說(shuō)則是認(rèn)為所有物質(zhì)是由只占一度空間的“點(diǎn)”狀粒子所組成，也是目前廣為接受的物理模型，也很成功的解釋和預(yù)測(cè)相當(dāng)多的物理現(xiàn)象和問(wèn)題，但是此理論所根據(jù)的“粒子模型”卻遇到一些無(wú)法解釋的問(wèn)題。比如，在靠近粒子的地方的引力會(huì)增加至無(wú)限大。比較起來(lái)，“弦理論”的基礎(chǔ)是“波動(dòng)模型”，因此能夠避開前一種理論所遇到的問(wèn)題。更深的弦理論學(xué)說(shuō)不只是描述“弦”狀物體，還包含了點(diǎn)狀、薄膜狀物體，更高維度的空間，甚至平行宇宙。值得注意的是，弦理論目前尚未能做出可以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，關(guān)于這一點(diǎn)，以下內(nèi)文會(huì)說(shuō)明。編輯本段發(fā)展歷史弦理論的雛形是在1968年由GabrieleVeneziano發(fā)現(xiàn)。他原本是要找能描述原子核內(nèi)的強(qiáng)作用力的數(shù)學(xué)公式，然后在一本老舊的數(shù)學(xué)書里找到了有200年之久的歐拉公式（Euler'sFunction），這公式能夠成功的描述他所要求解的強(qiáng)作用力。然而進(jìn)一步將這公式理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動(dòng)的有彈性的“線段”卻是在不久后由LeonardSusskind(李?yuàn)W納特·蘇士侃)所發(fā)現(xiàn)，這在日后則發(fā)展出“弦理論”。編輯本段作用模式雖然弦理論最開始是要解出強(qiáng)相互作用力的作用模式，但是后來(lái)的研究則發(fā)現(xiàn)了所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反電子，正反中微子等等，以及四種基本作用力“粒子”（強(qiáng)、弱作用力粒子，電磁力粒子，以及重力粒子），都是由一小段的不停抖動(dòng)的能量弦線所構(gòu)成，而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線抖動(dòng)的方式和形狀的不同而已。編輯本段弦理論與超弦理論另外，“弦理論”這一用詞所指的原本包含了26度空間的玻色弦理論，和加入了超對(duì)稱性的超弦理論。在近日的物理界，“弦理論”一般是專指“超弦理論”，而為了方便區(qū)分，較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年代，愛德華·維頓提出了一個(gè)具有11度空間的M理論，他和其他學(xué)者找到強(qiáng)力的證據(jù)，證明了當(dāng)時(shí)許多不同版本的超弦理論其實(shí)是M理論的不同極限設(shè)定條件下的結(jié)果。這些發(fā)現(xiàn)帶動(dòng)了第二次超弦理論革新編輯本段弦理論與大一統(tǒng)理論弦理論會(huì)吸引這么多注意，大部分的原因是因?yàn)樗苡锌赡軙?huì)成為終極理論。目前，描述微觀世界的量子力學(xué)與描述宏觀引力的廣義相對(duì)論在根本上有沖突，廣義相對(duì)論的平滑時(shí)空與微觀下時(shí)空劇烈的量子漲落相矛盾，這意味著二者不可能都正確，它們不能完整地描述世界。而除了引力之外，量子力學(xué)很自然的成功描述了其他三種基本作用力：電磁力、強(qiáng)力和弱力。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。超弦理論還包含了組成物質(zhì)的基本粒子之一的費(fèi)米子。至于弦理論能不能成功的解釋基于目前物理界已知的所有作用力和物質(zhì)所組成的宇宙以及應(yīng)用到“黑洞”、“宇宙大爆炸”等需要同時(shí)用到量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的極端情況，這還是未知數(shù)。編輯本段額外維額外維是相對(duì)于"四維時(shí)空"而提出的一個(gè)概念，一般泛指的是理論在四維時(shí)空基礎(chǔ)上擴(kuò)展出來(lái)的其它維度。愛因斯坦提出宇宙是空間加時(shí)間組成的"四維時(shí)空"。1926年，德國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家西奧多·卡魯扎在四維時(shí)空上再添加一個(gè)空間維，也就是添加一個(gè)第五維，把愛因斯坦的相對(duì)論方程加以改寫，改寫后的方程可以把當(dāng)時(shí)已知的兩種基本力即“電磁力”和“引力”很自然地統(tǒng)一在同一個(gè)方程中。至此，理論中存在額外添加的維度統(tǒng)稱為“額外維”。編輯本段D-膜由于超弦理論的時(shí)空維數(shù)為10維，所以很自然的可以認(rèn)為有6個(gè)額外的維度需要被緊化。當(dāng)對(duì)閉弦緊化時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)所謂的T-對(duì)偶；而對(duì)開弦緊化則可以發(fā)現(xiàn)開弦的端點(diǎn)是停留在這些超曲面上的，并且滿足Dirichlet邊界條件。所以這些超曲面一般被稱為“D膜”。研究員稱D膜的動(dòng)力學(xué)為“矩陣?yán)碚摗保∕理論)，是為“M”字之一來(lái)源。編輯本段物理或是哲學(xué)無(wú)法獲得實(shí)驗(yàn)證明的原因之一是目前尚沒有人對(duì)弦理論有足夠的了解而做出正確的預(yù)測(cè)，另一個(gè)則是目前的高速粒子加速器還不夠強(qiáng)大?？茖W(xué)家們使用目前的和正在籌備中的新一代的高速粒子加速器試圖尋找超弦理論里主要的超對(duì)稱性學(xué)說(shuō)所預(yù)測(cè)的超粒子。編輯本段相關(guān)報(bào)道最新一期的《環(huán)球科學(xué)》（2007.9）第10頁(yè)題目為《我們身處十維空間？》中提到美國(guó)的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室在觀察MiniBooNE探測(cè)器發(fā)射μ中微子束，看看到底有多少粒子在飛行途中轉(zhuǎn)變成了電子中微子。2007年4月，研究人員公布了首批結(jié)果，基本上與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型吻合。不過(guò)數(shù)據(jù)中也存在一個(gè)無(wú)法解釋的異?，F(xiàn)象?？茖W(xué)家推測(cè)導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于世界上還存在另一種中微子，它能穿越弦理論所預(yù)言的額外維度，走出一條捷徑。這種粒子就是比其他三種中微子更詭異，它不像其他中微子那樣受到微核力的作用，只能通過(guò)引力與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。他就是于20世紀(jì)90年代找到的惰性中微子（假定存在）。編輯本段理論框架弦理論確信至少需要十個(gè)維度才能建立一個(gè)理論框架，讓引力與量子力學(xué)互相兼容。弦理論科學(xué)家假定，宇宙中所有粒子都被局限在一個(gè)四維的膜宇宙（brane)中，而膜宇宙又漂浮在一個(gè)更高維度的體宇宙（bulk)里。不過(guò)幾種特殊的粒子可以從膜宇宙中穿入穿出，其中最出眾的就是引力子和惰性中微子。編輯本段正確性而在這次實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的情況十分符合弦理論模型。從而可以證明弦理論所預(yù)言的十維空間的正確性，也就肯定了弦理論。不過(guò)也有科學(xué)家謹(jǐn)慎地指出，這種相似性也許是一種離奇的巧合。MiniBooNE的研究人員正在重新審視他們的結(jié)果，以確定背景效應(yīng)或分析失誤會(huì)不會(huì)影響他們對(duì)電子中微子的計(jì)數(shù)。與此同時(shí)，帕斯（弦理論科學(xué)家）和他的同事也在進(jìn)一步修正他們的理論。帕斯承認(rèn)：“我們的理論粗看上去有一點(diǎn)投機(jī)取巧。不過(guò)我認(rèn)為，仔細(xì)討論一種可能的解釋，看看它是否被證實(shí)，這也是絕對(duì)必要的?！比绻f(shuō)超弦理論的第一次革命統(tǒng)一了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論，那么近年來(lái)發(fā)生的弦理論的第二次革命則統(tǒng)一了五種不同的弦理論和十一維超引力，預(yù)言了一個(gè)更大的M理論的存在，揭示了相互作用和時(shí)空的一些本質(zhì)，并暗示了時(shí)間和空間并不是最基本的，而是從一些更基本的量導(dǎo)出或演化形成的。M理論如果成功，那將會(huì)是一場(chǎng)人類對(duì)時(shí)空概念、時(shí)空維數(shù)等認(rèn)識(shí)的革命，其深刻程度不亞于上個(gè)世紀(jì)的兩場(chǎng)物理學(xué)革命。從科學(xué)研究本身看，研究引力的量子化及其與其他互相作用力的統(tǒng)一是自愛因斯坦以來(lái)國(guó)際著名物理學(xué)家的夢(mèng)想，但由于該理論涉及的能量極高，不能進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。盡管如此，一些技術(shù)和方法的發(fā)展，啟發(fā)了很多新的物理思想，如解決能量等級(jí)問(wèn)題的Randall-Sundrum模型和引力局域化，關(guān)于弦理論巨量可能真空的圖景想法和人擇原理等等。近期天文和宇宙學(xué)觀察所取得的進(jìn)展對(duì)弦理論的發(fā)展會(huì)起積極的促進(jìn)作用。比如，近期觀察的宇宙加速膨脹所暗示的一個(gè)很小的但大于零的宇宙學(xué)常數(shù)(或暗能量)，為弦理論目前的發(fā)展提供了指導(dǎo)作用。反過(guò)來(lái)說(shuō)，要在更深層次上理解近期的天體物理學(xué)觀察和暗能量，沒有一個(gè)基本的量子引力理論是行不通的，弦理論是目前僅有的量子引力理論的理想候選者。二者的結(jié)合不僅對(duì)弦理論的自身發(fā)展有著指導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)理解和解釋宇宙學(xué)觀察也有很大的促進(jìn)作用。編輯本段問(wèn)題與爭(zhēng)論雖然歷史上，弦理論是物理學(xué)的分支之一，但仍有一些人主張，弦理論目前不可實(shí)驗(yàn)的情況，意味著它應(yīng)該（嚴(yán)格地說(shuō)）被更多地歸為一個(gè)數(shù)學(xué)框架而非科學(xué)。一個(gè)有效的理論，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)與觀察，并被經(jīng)驗(yàn)地證明。不少物理學(xué)家們主張要通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)途徑去證實(shí)弦理論。一些科學(xué)家希望借助歐洲核子研究組織（CERN，ConseilEuropeanPourRecherchesNucleaires）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，以獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)——盡管許多人相信，任何關(guān)于量子引力的理論都需要更高數(shù)量級(jí)的能量來(lái)直接探查。此外，弦理論雖然被普遍認(rèn)同，但它擁有非常多的等可能性的解決方案。因此，一些科學(xué)家主張弦理論或許不是可證偽的，并且沒有預(yù)言的力量。由于任何弦理論所作出的那些與其他理論都不同的預(yù)測(cè)都未經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的，該理論的正確與否尚待驗(yàn)證。為了看清微粒中弦的本性所需要的能量級(jí)，要比目前實(shí)驗(yàn)可達(dá)到的高出許多。弦理論具有很多數(shù)學(xué)興趣的特性（featuresofmathematicalinterest）并自然地包含了標(biāo)準(zhǔn)模型的大多數(shù)特性，比如非阿貝爾群與手性費(fèi)米子（chiralfermions）。因?yàn)橄依碚撛诳深A(yù)知的未來(lái)可能難以被實(shí)驗(yàn)證明，一些科學(xué)家問(wèn)，弦理論甚至是否應(yīng)該被叫做一個(gè)科學(xué)理論。它現(xiàn)在還不能在波普爾的意識(shí)（thesenseofKarlPopper）中被證偽。但這也暗示了弦理論更多地被看做建設(shè)模型的框架。在同樣的形式中，量子場(chǎng)論是一個(gè)框架。弦理論的思想為物理學(xué)帶來(lái)了一個(gè)建議上超越標(biāo)準(zhǔn)模型的巨大影響。例如，雖然超對(duì)稱性是組成弦理論的重要一部分，但是那些與弦理論沒有明顯聯(lián)系的超對(duì)稱模型，科學(xué)家們也有研究。因此，如果超對(duì)稱性在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中被偵測(cè)到，它不會(huì)被看做弦理論的一個(gè)直接證明。然而，如果超對(duì)稱性未被偵測(cè)出，由于弦理論中存在只有以更加更加高的能量才能看出超對(duì)稱性的真空，所以它的缺乏不會(huì)證明弦理論是錯(cuò)誤的。相反，如果日食期間觀測(cè)到太陽(yáng)的引力未使光按預(yù)測(cè)的角度偏轉(zhuǎn)，那么愛因斯坦的廣義相對(duì)論將被證明是錯(cuò)誤的。（廣義相對(duì)論當(dāng)然已被證明是正確的。）在更數(shù)學(xué)的層次上，另一個(gè)問(wèn)題是，如同很多量子場(chǎng)論，弦理論的很大一部分仍然是微擾地（perturbatively）用公式表達(dá)的（即為對(duì)連續(xù)的逼近，而非一個(gè)精確的解）。雖然非微擾技術(shù)有相當(dāng)大的進(jìn)步——包括猜測(cè)時(shí)空中滿足某些漸進(jìn)性的完整定義——一個(gè)非微擾的、充分的理論定義仍然是缺乏的。物理學(xué)中，弦理論有關(guān)應(yīng)用的一個(gè)中心問(wèn)題是，弦理論最好的理解背景保存著大部分從時(shí)不變的時(shí)空得出的的超對(duì)稱性潛在理論：目前，弦理論無(wú)法處理好時(shí)間依賴與宇宙論背景的問(wèn)題。前面提到的兩點(diǎn)涉及一個(gè)更深?yuàn)W的問(wèn)題：在弦理論目前的構(gòu)想中，由于弦理論對(duì)背景的依賴——它描述的是關(guān)于固定時(shí)空背景的微擾膨脹，它可能不是真正基礎(chǔ)的。一些人把獨(dú)立背景（backgroundindependence）看做對(duì)于一個(gè)量子引力理論的基礎(chǔ)要求；自從廣義相對(duì)論已經(jīng)是背景獨(dú)立的以來(lái)，尤其如此。編輯本段關(guān)于弦理論的幾個(gè)問(wèn)題1.什么是物質(zhì)組成的最終單元？在過(guò)去的一百多年里，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一連串越來(lái)越小和越來(lái)越基本的物質(zhì)組成單元。這些研究成果最終被總結(jié)成為標(biāo)準(zhǔn)模型：輕子(象電子和中微子)、夸克以及將這些粒子捆綁在一起的電磁力、弱相互作用力。但是，標(biāo)準(zhǔn)模型并不是故事的結(jié)局，因?yàn)樗鼘?shí)在是太復(fù)雜了，它本身并不能解釋一個(gè)比元素周期表還要復(fù)雜的基本粒子表以及它們之間的相互用力?，F(xiàn)在，弦理論家們普遍相信標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子實(shí)際上都是一些小而又小的振動(dòng)的弦的閉合圈(稱為閉合弦或閉弦)，所有粒子都可由閉弦的不同振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)來(lái)得到，從本質(zhì)上講，所有的粒子都是質(zhì)地相同的弦。這一聽似奇怪的想法能夠解釋標(biāo)準(zhǔn)模型的許多粗獷輪廓和特性，但是在決定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證弦理論之前，人們?nèi)匀挥斜匾獙?duì)它進(jìn)行更深刻的認(rèn)識(shí)和了解。2.量子力學(xué)的原理和廣義相對(duì)論是相沖突的嗎？量子力學(xué)和廣義相對(duì)論是二十世紀(jì)兩個(gè)非常成功的理論，但令人驚訝的是這兩個(gè)理論在現(xiàn)有的框架下是相沖突的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，量子力學(xué)認(rèn)為沒有任何東西是靜止不動(dòng)的，任何東西都有起伏漲落(測(cè)不準(zhǔn)原理)。廣義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)空是彎曲的，彎曲時(shí)空是萬(wàn)有引力的起源。將這兩個(gè)理論結(jié)合就可以導(dǎo)出時(shí)空本身也是每時(shí)每刻都在經(jīng)歷著量子的起伏漲落。在大多數(shù)情況下，這些漲落是很小很小的，但在一些極端情況下，比如說(shuō)在極短距離下、在黑洞的視界附近，在大爆炸的初始時(shí)刻等等，這些量子漲落將變得非常重要。在這些情況下，我們現(xiàn)有的理論(量子力學(xué)和廣義相對(duì)論)是不適用的，只能得到一些結(jié)果為無(wú)窮大荒謬結(jié)論。很顯然，我們需要一個(gè)更完備的理論。令人驚訝的是，從粒子物理學(xué)中發(fā)展起來(lái)的弦理論提供了這一問(wèn)題的答案。在弦理論中，由于弦的延展性(一維而不是一個(gè)點(diǎn))，引力和光滑的時(shí)空觀念在比弦尺度還小的距離下失去了意義，時(shí)空量子泡沬由“弦?guī)缀巍贝媪恕，F(xiàn)在，用弦理論已經(jīng)解決了有關(guān)黑洞量子力學(xué)問(wèn)題的一些疑難。如何用弦理論來(lái)說(shuō)明宇宙大爆炸的初始奇點(diǎn)仍然是一個(gè)沒有解決的大問(wèn)題。3.我們生活在11維時(shí)空嗎？宇宙學(xué)告訴我們，我們?nèi)庋劭吹降娜齻€(gè)空間維數(shù)正在膨脹，由此可以推測(cè)它們?cè)?jīng)是很小和高度彎曲的。一個(gè)自然的可能性是；也許存在與我們觀測(cè)到的三個(gè)空間維數(shù)垂直的其它空間維數(shù)，這些額外空間維數(shù)曾經(jīng)是但現(xiàn)在仍然是很小和高度彎曲的。如果這些維數(shù)的尺度是夠小，以我們現(xiàn)有的觀測(cè)手段仍不是以直接推測(cè)到，但是這些維數(shù)仍將以許多間接的效應(yīng)表現(xiàn)出來(lái)。特別地，這是一個(gè)強(qiáng)有力的統(tǒng)一觀念：在低維中觀測(cè)到的不同粒子也可能是同一種粒子，在額外維數(shù)空間中，它們都是同一粒子不同方向的運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。實(shí)際上，額外維數(shù)還是弦理論不可分割的一部分：弦理論的數(shù)學(xué)方程要求空間是9維的，再加上時(shí)間維度總共是10維時(shí)空。更進(jìn)一步的研究表明，由M理論給出的更完全的認(rèn)識(shí)揭示了弦理論的第10維空間方向，因此理論的最大維數(shù)是11維。最近的一些發(fā)展還提出了我們也許生活在低維的膜上面，但是引力仍然是10維的，為了得到現(xiàn)實(shí)的3維引力，可以通過(guò)引入“影子膜”或者Randall-Sundrum機(jī)制。Randall-Sundrum機(jī)制是一種束縛引力的新方法，這時(shí)，額外維度可以不是很小很小的。通過(guò)觀測(cè)小距離情況下引力對(duì)平方反比定律的偏離，或者是在粒子加速上或者是通過(guò)超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的粒子散射進(jìn)入額外維度因而看起來(lái)象消失一樣等等奇怪的現(xiàn)象，也許我們現(xiàn)在就有能力探測(cè)到這些額外維度。弦理論不僅大大地拓展了人們的思維空間，將大大地拓展人們的活動(dòng)空間。編輯本段趣聞相