超弦理论浅谈课件.ppt

1、超弦理论浅谈 超弦理论的发展史 什么是超弦理论 怎样证明超弦理论是正确的 超弦理论的争议超弦理论的发展史1921 克鲁札克莱因1926年，爱因斯坦的同事克鲁札率先发表一篇论文，之后波尔的同事克莱因加以改进，形成了克鲁札克莱因理论，这是个五次元的理论，试图结合马克思威尔的电磁学方程式和爱因斯坦重力方程式，可说是超弦理论的先声。然而，第五度空间是如此的小，甚至仅仅藏于普朗克尺度之下只有10的负-30次方，一般的物理学家们对于无法在近期做实验观测的理论不抱太多兴趣，克鲁札克莱因的五次元理论终于胎死腹中。在统一广义相对论和量子论的漫漫征途中，物理学家一开始采用的是较为温和的办法。他们试图采用老的战术，

2、也就是在征讨强、弱作用力和电磁力时用过的那些行之有效的手段，把它同样用在引力的身上。在相对论里，引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应，而正如我们所看到的，量子场论把基本的力看成是交换粒子的作用，比如电磁力是交换光子，强相互作用力是交换胶子等等。那么，引力莫非也是交换某种粒子的结果？在还没见到这个粒子之前，人们已经为它取好了名字，就叫“引力子”(graviton)。可是，要是把所谓引力子和光子等一视同仁地处理，人们马上就发现他们注定要遭到失败。在量子场论内部，无论我们如何耍弄小聪明，也没法叫引力子乖乖地听话：计算结果必定导致无穷的发散项，无穷大！在这场战争中我们初战告负，一切温和的统一之路都

3、被切断，量子论和广义相对论互相怒目而视，作了最后的割席决裂，我们终于认识到，它们是互不相容的，没法叫它们正常地结合在一起！物理学的前途顿时又笼罩在一片阴影之中，相对论的支持者固然不忿气，拥护量子论的人们也有些踌躇不前。新希望出现在1968年，但却是由一个极为偶然的线索开始的：它本来根本和引力毫无关系。那一年，CERN（欧洲核子物理研究所）的意大利物理学家维尼基亚诺(Gabriel Veneziano)随手翻阅一本数学书，在上面找到了一个叫做“欧拉函数”的东西。维尼基亚诺顺手把它运用到所谓“雷吉轨迹”(Regge trajectory)的问题上面，作了一些计算，结果惊讶地发现，这个欧拉早于177

4、1年就出于纯数学原因而研究过的函数，它竟然能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应。维尼基亚诺模型不久后被3个人几乎同时注意到，他们是芝加哥大学的南部阳一郎，耶希华大学(Yeshiva Univ)的萨斯金(Leonard Susskind)和玻尔研究所的尼尔森(Holger Nielsen)。三人分别证明了，这个模型在描述粒子的时候，它等效于描述一根一维的“弦”！这可是非常稀奇的结果，在量子场论中，任何基本粒子向来被看成一个没有长度也没有宽度的小点，怎么会变成了一根弦呢？虽然这个结果出人意料，但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然与当时正在那里访问的法国物理学家谢尔克(Joel

5、Scherk)合作，研究了这个理论的一些性质。在弦论最惨淡的日子里，只有施瓦茨和谢尔克两个人坚持不懈地沿着这条道路前进。1971年，施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作，把原来需要26维的弦论简化为只需要10维。这里面初步引入了所谓“超对称”的思想 当把他们的模型用于引力的时候，在计算引力的时候，无穷大不再出现了！计算结果有限而且有意义“第一次超弦革命”由此爆发了，前不久还对超弦不屑一顾，极其冷落的物理界忽然像着了魔似的，倾注出罕见的热情和关注。第一次革命过后，我们得到了这样一个图像：任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放或者闭合(头尾相接而成环)的弦。当它们以不同的方式振动

6、时，就分别对应于自然界中的不同粒子(电子、光子包括引力子！)。我们仍然生活在一个10维的空间里，但是有6个维度是紧紧蜷缩起来的，所以我们平时觉察不到它。一直要到90年代中期，超弦才再次从沉睡中苏醒过来，完成一次绝地反攻。这次唤醒它的是爱德华威顿。在1995年南加州大学召开的超弦年会上，威顿让所有的人都吃惊不小，他证明了，不同耦合常数的弦论在本质上其实是相同的！我们只能用微扰法处理弱耦合的理论，也就是说，耦合常数很小，在这样的情况下5种弦论看起来相当不同。但是，假如我们逐渐放大耦合常数，它们应当是一个大理论的5个不同的变种！这样一来，5种超弦就都被包容在一个统一的图像中，物理学家们终于可以松一口

7、气。这个统一的理论被称为“M理论”。不管超弦还是M理论，它们都刚刚起步，还有更长的路要走。虽然异常复杂，但是超弦/M理论仍然取得了一定的成功，甚至它得以解释黑洞熵的问题。M理论是“第二次超弦革命”的一部分，如今这次革命的硝烟也已经散尽，超弦又进入一个蛰伏期。PBS后来在格林的书的基础上做了有关超弦的电视节目，在公众中引起了相当的热潮。或许不久就会有第三次第四次超弦革命，从而最终完成物理学的统一，我们谁也无法预见。值得注意的是，自弦论以来，我们开始注意到，似乎量子论的结构才是更为基本的。以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架，然后在细节上做量子论的修正，这可以称为“自大而小”的方法。但在弦论里

8、，必须首先引进量子论，然后才导出大尺度上的时空结构！人们开始认识到，也许“自小而大”才是根本的解释宇宙的方法。2006年，世界弦理论大会在中国举行。中国在这个理论物理的前沿领地，没有较著名的科学家。什么是超弦理论 弦理论是理论物理的一个分支学科。弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。弦论中的弦尺度非常小，但操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜”。直观的说，我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空

9、中的D3膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。弦理论（以及它的升级版超弦理论）认为所有的亚原子粒子都并非是小点，而是类似于橡皮筋的弦1。与粒子类型的唯一区别在于弦振动的频率差异1。弦理论主要试图解决表面上的不兼容的两个主要物理学理论量子力学和广义相对论并欲创造的描述整个宇宙的“万物理论”1。然而这项理论非常难测试，并需要对我们所描绘的宇宙进行一些调整，也即宇宙一定存在比我们所知的四维空间更多的时空维度1。科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于我们没有发现它们怎样证明超弦理论是正确的 在超弦理论当中，十一维空间中存在一个额外维度，证明额外维度的存在就可以

10、得出我们生活的空间并非四维。在日内瓦欧洲粒子研究中心建造的大型强子对撞机，当粒子接近光速在隧道中反向运动碰撞时，如果能量充足，部分残骸会从我们的维度中喷出，进入其他维度。我们如何观测到呢？测量撞击前后能量的变化，如果能量减少了，说明能量逃逸了，如果它们是以计算出的模式逃逸，就可以证明额外维度的存在超弦理论的争议 无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。虽然历史上，弦理论是物理学的分支之一，但仍有一些人主张，弦理

11、论目前不可实验的情况，意味着它应该（严格地说）被更多地归为一个数学框架而非科学。一个有效的理论，必须通过实验与观察，并被经验地证明。不少物理学家们主张要通过一些实验途径去证实弦理论。一些科学家希望借助欧洲核子研究组织（CERN，Conseil European Pour Recherches Nucleaires）的大型强子对撞机，以获得相应的实验数据尽管许多人相信，任何关于量子引力的理论都需要更高数量级的能量来直接探查。此外，弦理论虽然被普遍认同，但它拥有非常多的等可能性的解决方案。因此，一些科学家主张弦理论或许不是可证伪的，并且没有预言的力量。由于任何弦理论所作出的那些与其他理论都不同的预测都未经实验证实的，该理论的正确与否尚待验证。谢谢