大道小說網 弦理論簡介 文 / 嬰語櫻落

    先來作者總結：弦理論實際上在目前是不可實驗的，而科學的重要定義是可重複、可實驗、數據化。那麼，在不可實驗只是純理論的這樣一種說法可能更多地偏向於假說，而弦理論的來源其實也和哲學、玄學分不開關係。實際上，在現代物理界，許多理論都要從哲學、玄學裡汲取思想的營養；而這正好是證明了「理性」向「超理性」的方向在不斷拓展。現代的物理學使命正是「拓展」；而社會學科則更多地在「內爆發現。有說法稱，他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學函數，然後在一本老舊的數學書裡找到了有200年歷史的貝塔函數，這函數能夠描述他所要求解的強作用力。事實並非如此，根據維內奇諾本人的說法，這個函數是他多年努力的結果，而那些「偶然發現」以及「從數學書中發現」的傳言令他本人很不高興。不久後李奧納特·蘇士侃發現，這函數可理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的「線段」，這在日後則發展成「弦理論」。雖然弦理論最開始是要解出強作用力的作用模式，但是後來的研究則發現了所有的粒子，如正反夸克，正反電子，正反中微子等等，以及四種基本作用力粒子，都能用類似方法表示成一小段的不停振動的能量絃線，而各種粒子彼此之間的差異只是這絃線的長度、振動參數和形狀的不同而已。

    最早期的弦論叫做玻色弦理論，南部陽一郎給予最早的作用量，但是該作用量在場論的框架內難以量子化。此後亞歷山大·泊裡雅科夫給予一個等效的作用量，其幾何含義是把時空坐標視為一個世界面的標量場，並且在世界面上滿足廣義相對論的一般坐標變換規則。除此之外，如果要求這個作用量同時滿足在外爾變化下不變，那麼自然的會要求這個世界面是一個二維的曲面。玻色弦理論是最簡單的一個弦論的模型，它最重要的物理圖像是認為物理粒子不是單純的點粒子，而是由於弦的振動產生的激發態。顯然它有很大的缺點，其一是它只簡單描述標量玻色子，沒有將費米子引入框架內；其二沒有包含一般量子場論中的規範對稱性；其三是當研究它的質量譜時候發現，它的真空態是一組質量平方小於零的不穩定快子。所有這些問題在推廣到超弦理論後得到很好的解釋。超弦理論

    另外，「弦理論」這一用詞所指的原本包含26維的玻色弦理論，和加入超對稱性的超弦理論。在近日的物理界，「弦理論」一般是專指「超弦理論」，為了方便區分，較早的「玻色弦理論」則以全名稱呼。1990年代，受弦對偶的啟發，愛德華·維頓猜想存在一11維的m理論，他和其他學者找到強力的證據，顯示五種不同版本的十維超弦理論與十一維超引力論其實應該是m理論的六個不同極限。這些發現帶動了第二次超弦理論革新。弦理論與大統一弦理論會吸引這麼多注意，大部分的原因是因為它很有可能會成為大一統理論。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。除了引力之外，它很自然的成功描述各式作用力，包含電磁力和自然界存在的其他各種作用力。超弦理論還包含組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙，這還是未知數。至今研究員仍未能找到一個弦論模型，其低能極限為標準模型。額外維

    額外維是相對於&「四維時空&「而提出的一個概念，一般泛指的是理論在四維時空基礎上擴展出來的其它維度。愛因斯坦提出宇宙是空間加時間組成的&「四維時空&「。1926年，德國數學物理學家西奧多·卡魯紮在四維時空上再添加一個空間維，也就是添加一個第五維，把愛因斯坦的相對論方程加以改寫，改寫後的方程可以把當時已知的兩種基本力即「電磁力」和「引力」很自然地統一在同一個方程中。至此，理論中存在額外添加的維度統稱為「額外維」。超弦理論中是一維時間十維空間或九維空間。d－膜由於超弦理論的時空維數為10維，所以很自然的可以認為有6個額外的維度需要被緊化。當對閉弦緊化時，可以發現所謂的t－對偶；而對開弦緊化則可以發現開弦的端點是停留在這些超曲面上的，並且滿足dirichlet邊界條件。所以這些超曲面一般被稱為「d膜」。研究員稱d膜的動力學為「矩陣理論」被更多地歸為一個數學框架而非科學。一個有效的理論，必須通過實驗與觀察，並被經驗地證明。不少物理學家們主張要通過一些實驗途徑去證實弦理論。一些科學家希望借助歐洲核子研究組織的大型強子對撞機，以獲得相應的實驗數據——儘管許多人相信，任何關於量子引力的理論都需要更高數量級的能量來直接探查。此外，弦理論雖然被普遍認同，但它擁有非常多的等可能性的解決方案。因此，一些科學家主張弦理論或許不是可證偽的，並且沒有預言的力量。由於任何弦理論所作出的那些與其他理論都不同的預測都未經實驗證實的，該理論的正確與否尚待驗證。為了看清微粒中弦的本性所需要的能量級，要比目前實驗可達到的高出許多。弦理論具有很多在數學上很有意思的特徵並自然地包含了標準模型的大多數特性，比如非阿貝爾群與手性費米子。因為弦理論在可預知的未來可能難以被實驗證明，一些科學家問，弦理論甚至是否應該被叫做一個科學理論。它現在還不能在波普爾的哲學含義中被證偽。但這也暗示了弦理論更多地被看做建設模型的框架。在同樣的形式中，量子場論是一個框架。弦理論的思想為物理學帶來了一個建議上超越標準模型的巨大影響。例如，雖然超對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繫的超對稱模型，科學家們也有研究。因此，如果超對稱性在大型強子對撞機中被偵測到，它不會被看做弦理論的一個直接證明。然而，如果超對稱性未被偵測出，由於弦理論中存在只有以更加更加高的能量才能看出超對稱性的真空，所以它的缺乏不會證明弦理論是錯誤的。相反，如果日食期間觀測到太陽的引力未使光按預測的角度偏轉，那麼愛因斯坦的廣義相對論將被證明是錯誤的。在更數學的層次上，另一個問題是，如同很多量子場論，弦理論的很大一部分仍然是微擾地用公式表達的。雖然非微擾技術有相當大的進步——包括猜測時空中滿足某些漸進性的完整定義——一個非微擾的、充分的理論定義仍然是缺乏的。物理學中，弦理論有關應用的一個中心問題是，弦理論最好的理解背景保存著大部分從「時不變的時空」得出的的超對稱性潛在理論：目前，弦理論無法處理好時間依賴與宇宙論背景的問題。前面提到的兩點涉及一個更深奧的問題：在弦理論目前的構想中，由於弦理論對背景的依賴——它描述的是關於固定時空背景的微擾膨脹，它可能不是真正基礎的。一些人把**背景看做對於一個量子引力理論的基礎要求；自從廣義相對論已經是背景**的以來，尤其如此。