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宇宙的琴弦（1） 2008-05-30 17:12 天地四方谓之宇，古往今来曰为宙，宇宙便是我们时常所说的时间空间，宇宙中的万事万物在时空中生生息息，幻起幻灭。当我们仰望苍穹，凝视宇宙的时候，我们不禁会陷入沉思：宇宙到底是什么？到底由什么构成的？它看起来为什么如此宁静安详？但宇宙却把它这些神秘规律深深掩埋在黑暗中。 经过一代代人的努力，终于由牛顿带来了普罗米修斯火种, 即万有引力定律，在黑暗中点亮了一丝曙光，宇宙的一个大秘密被挖掘出来了。他指出我们的时空是平直的，稳恒不变的，宇宙中的一切物质都在这样的时空背景，并在万有引力的牵引下运动。这样的时空观一直持续了两百多年，直到上世纪初才被爱因斯坦打破。1905，1915年，爱因斯坦分别创立了狭义相对论和广义相对论，指出时空并非平直，稳恒不变，在不同的参考系下，时间间隔和空间间隔是不同的，时空的几何结构是由物质决定。这一开天辟地的想法触及到宇宙最深层的一个秘密：时间空间也许不再基本，因为它的结构可以被物理决定。这又引出了另一基本问题：既然时空的几何结构可以由物理决定，那时空的维数可不可以由物理来决定？我们的时空为什么是4 维的, 即3 维空间加一维时间? 广义相对论没法回答这个问题，因为广义相对论在任何维数下都成立，没法决定时空的维数。 时光冉冉，光阴似箭。爱因斯坦创立相对论之后几十年里，都没有物理理论去触及这些问题，直到超弦理论的诞生。 超弦理论是一种量子引力理论。当量子力学跟狭义相对论结合后，便得到了量子场论，通过量子场论，我们可以把引力之外的其他三种力，即电磁力，强作用力，弱作用力都量子化。当我们用量子场论试图把引力也量子化时，却发现了不可消除的发散问题（其他3 种力量子化时，也有发散问题，但可消除），出现不可消除的发散就意味着理论不稳定，不自恰。第一波寻找量子引力理论的努力宣告失败。 1968年出现了一种叫弦理论的物理理论，它的出现当时只是为了去解释一些强子对撞碰到的现象，被当作一种强相互作用理论去看待。但这个理论有几个非常奇异的结果：时空有26维，出现质量为负数的粒子，出现了自璇为2 的无质量粒子。这三个结果都直接跟试验矛盾。因此这理论没多少人关注。1971 年人们给这个理论加了一个叫超对称的对称性，弦理论变成了现在所叫得超弦理论，在超弦理论中第一个问题出现了缓和，时空只要10维，第二个问题被消除了，第三个问题依旧存在。1974年，人们对第三个问题重新审视，认为自璇为2 的无质量粒子就是引力量子化后对应的粒子--引力子。于是超弦理论被重新定义了，它是一种量子引力理论，而不是以前认为的强相互作用力理论，一种全新的量子引力理论宣告诞生！ 超弦理论没有发散，是一自恰的理论，而且还能从物理上决定时空维数，看似是一个不错的量子引力理论，但它随后的发展并非一马平川, 而是充满崎岖坎坷。(未完，待续） 宇宙的琴弦（2） 2008-05-31 15:10 超弦理论的思想很简单很优美，宇宙的本原以由弦构成的，这些弦不停的振荡，振荡出很多物质，其中质量为零的物质就包括我们现在的基本粒子，除了引力子外，还有电子，夸克，光子，胶子等。这样看来超弦理论不单单能描述引力，还能描述规范力（电磁力，强作用力，弱作用力的统称），于是超弦理论不仅仅是量子引力理论，而且还是能描述一切相互作用力的万有理论。当我们用浪漫主义情怀审视这些思想，我们就会发现，把弦比喻成琴弦，把弦振动出来的基本粒子比喻成琴弦拉出来的音符，那么我们的宇宙便是一幅美丽动听的乐章！我们凝思宇宙的时候，就仿佛是在欣赏音乐。美哉！ 然而当我们回到现实，把超弦理论跟现实物理联系的时候，去遇到了大问题。 1974年，超弦被定义成量子引力理论之后，人们就迅速的找到了3 种超弦理论：typeIIA,typeIIB,typeI。前两种弦论是自恰的理论，但它们振荡不出如光子，胶子等规范场，而这些规范场可是描述现实世界必需的东西。第三种弦论可以振荡出规范场，但它存在反常，反常使得这个理论是有毛病的，非自恰的。这样弦论就处于非常尴尬的境地：没毛病的理论不能现实世界联系，能联系现实世界的理论却有毛病。难道超弦理论真的只是一个海市蜃楼，空中花园，一个跟现实世界无关的梦想天堂？当时绝大部分都是这样想的，所以研究弦论的人很少。但有两人坚持下来了。 这两人就是剑桥大学的green和加州理工的schwarz。1984年他们取得了突破，找到了一种机制成功地消除了typeI弦论的反常，终于有自恰的可能跟现实世界联系起来的超弦理论了！超弦也许不在是一个空中楼阁。这个成就引爆了弦论的第一次革命。真是山穷水复疑无路，柳暗花明又一村。同年底，普林斯顿大学的4位研究者又发现了两种不同的超弦