超弦理论和弦理论的区别(超弦理论和弦理论的区别和联系)

在完成广义相对论之后，爱因斯坦把一生都献给了另一项伟大的工作——统一场论。他希望用一个统一的理论来描述广义相对论描述的引力场和电动力学描述的电磁场。不幸的是，爱因斯坦失败了。后来，人们发现了弱力和强力。如果要建立统一的理论，就必须统一四种力量，这就增加了难度。目前，也许只有超弦理论和在其基础上发展起来的M理论能给我们带来一线希望。

20.1统一理论的探索

对于物理学家来说，标准模型中的粒子和力太多了。他们不相信大自然会创造出这么复杂的东西，所以他们希望用统一的理论框架来描述标准模型。然而，当他们试图将规范场理论推广到弱相互作用时，却遇到了困难，因为根据规范场理论，规范粒子的静态质量应该为零，而弱力的性质表明传递弱力的粒子具有静态质量。

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20世纪60年代，glashow、Weinberg、Salam等人在自发对称性破缺概念的基础上统一了弱力和电磁力，建立了弱电统一相互作用规范场理论，称为弱电统一理论。这个理论认为弱力和电磁力在能量大于1000GeV(G=109)时是统一的对称力，其标准粒子的静态质量为零。但当能量降低到1000GeV以下时，一些标准粒子在希格斯机制的作用下变成了静止质量，所以统一的电弱力分为电磁力和弱力。这个过程叫做电弱统一相变。

弱统一理论经过了实验的检验，取得了巨大的成功。这一成功鼓励物理学家进一步研究统一强弱力的大统一规范场理论，以及统一所有力的超统一规范场理论(见表20-1)。

根据统一理论，强作用力在高能时变弱，电磁力和弱作用力在高能时变强。当能量达到10^15GeV以上时，三种力的强度接近相同，所以它们可能是同一种力的不同方面。

一个统一的10^15GeV能量标度是一个非常巨大的能量，它对应的温度是10 ^ 28k(太阳中心的温度只有1.5×10 ^ 7k)，这是普通方法无法达到的。

但根据现代宇宙学，宇宙是从130多亿年前的大爆炸演化而来的，其能量可能如此之大。因此，我们可以利用宇宙的自然实验室来检验大统一理论。估计宇宙能量为10%15GeV时，大爆炸的时间尺度只有10^−35s，空之间的尺度只有10^−31m.

超统一理论认为，当能量尺度大于10^19GeV时，四种力统一为一种力。人们称10^19GeV为普朗克能量，对应的时间和空标度分别是普朗克时间(5.4×10^−44s)和普朗克长度(1.6×10 ^ 35m)。主要观点是，从宇宙大爆炸开始到普朗克时期，现有的四个力场都是超对称的统一规范场。随着能量的降低，出现了超统一相变、大统一相变、电弱统一相变三种自发对称性破缺，最终形成引力场、强场、弱场、电磁场四种规范场。

目前大统一理论和超统一理论还在发展中，没有完全成型。这是现代物理学的前沿，涉及宇宙学、粒子物理、广义相对论、量子场论等理论物理的前沿领域。目前物理学家已经发展出多种理论模型，其中超弦理论、量子引力场理论和M理论(或称膜理论)是比较重要的理论。

我们可以梳理一下现代物理学的主要逻辑(见图201)。一是狭义相对论和量子力学相结合建立量子场论(只涉及电磁力、弱力和强力)；二是将广义相对论与量子力学相结合，试图建立一种关于引力的量子场论，也称量子引力场论(不涉及电磁力、弱力和强力)。最后，我们可以将以上两种逻辑合并，即统一电磁力、弱力、强力和引力，这是超弦/M理论的野心。

20.2宇宙的弦:超弦理论

20世纪70年代，人们已经成功地用量子场论描述了电磁力、弱力和强力，但在构造引力的量子场论时却遇到了困难。引力是由广义相对论描述的。一个尴尬的事实是，所有结合了广义相对论和量子力学的计算都得到了同一个答案——无穷大。

1968年，一个物理学家偶然发现欧拉β函数可以描述力的大量性质。1970年，物理学家证明，如果用一维振动的“弦”来模拟基本粒子，它们的强度可以用欧拉函数精确描述，弦理论由此诞生。

1984年，物理学家将超对称性引入弦理论(一种连接玻色子和费米子的对称性，尚未被实验证明)，从而使其能够自然地统一四种基本力。这种超对称弦理论被称为“超弦理论”。

超弦理论和谐地统一了广义相对论和量子力学，被用来回答关于最基本的物质组成和自然力的原始问题。将引力引入量子论是超弦理论最吸引人的特征之一，而不经过数学技巧的“重正化”就消失无穷是另一个吸引人的特征，从而引发研究热潮。这就是所谓的“第一次超弦革命”。

超弦理论的基本思想是所有的基本粒子(轻子、夸克、光子、引力子等。)实际上是由一个一维字符串组成的。一个字符串可以有两种结构:开放字符串和封闭字符串。开弦有两个端点(见图20-2)，闭弦是一个没有端点的闭合圆(见图20-3)。通常，这些弦只有普朗克长度(10^−35m).)的维度

在超弦理论中，一个基本粒子的质量、电荷、弱电荷、色电荷等性质都是由构成它的弦所产生的精确共振模式决定的。如果弦振动剧烈，它的能量大，根据质能关系，它的质量也大。就像我们拨弦的时候，弦的震动不同，发出的声音也不同。

但是超弦理论对空之间的维数要求很高。为了具有物理意义，它要求弦能在9个独立的方向上空振动，也就是需要9维空，加上时间，就是10维空。除了我们熟悉的三个空维度，普朗克长度尺度中收缩了六个空维度。当然，这六个维度不是随便卷曲的，它们被卷曲成所谓的卡拉比·丘成桐空室(见图20-4)。这六个维度的弦属于同一个尺度，所以这些额外维度的几何会影响弦的振动，从而影响粒子的性质。

1985年，物理学家有了新发现。他们发现超对称可以以五种方式与弦理论结合，而且每一种都是自洽的。换句话说，五种超弦理论同时出现。五大超弦理论可分为三类:ⅰ型、ⅱ型(IIA、IIB)和混合型(杂种O和杂种E)。I型理论中的弦可以是开的，也可以是闭的；II型理论和杂交理论中的弦都是闭弦。

除了I型理论，其他四种超弦理论都是闭弦。对于一个封闭的弦，自然界中所有的相互作用只能用一种相互作用来解释，即弦的分裂和组合(见图20-5)。两个字符串可以组合成一个字符串，反之，一个字符串可以分裂成两个。

闭合弦的相互作用对费曼图所表示的物理过程给出了更直观的描述。比如图20-6是用弦表示的两个电子相互作用的时间空图。

当封闭弦在运动时，它在time 空图中扫过的轨迹是一个管道；当相互作用发生时，弦的分裂和连接就像管子的分离和连接。人们形象地把这个形象称为“世界叶”。

20.3 M理论:终极理论？

事实上，五种超弦理论的出现虽然令人惊讶，但也给物理学家带来了困扰:为什么会有这么多？更何况，另一个被称为“11维超引力”的理论也加入了超统一理论的家族，它是基于点粒子而不是弦。一下子有那么多“万事皆有道理”，让人尴尬不安。

这个谜题一直持续到1995年，美国物理学家爱德华·威滕提出了一个新理论——M理论，可以整合5个超弦理论和11维超引力理论。他可以证明这六个理论只是M理论的一些极限情况。举个例子，如果M理论是一头大象，那么前面的六个理论只是大象的脚掌、尾尖和长鼻子。

一石激起千层浪，M理论又向终极统一理论靠近了一步，引起了超弦理论的又一次研究热潮，即所谓的“第二次超弦革命”。

关于M理论中M的含义众说纷纭，但也许认为它代表“膜”更准确，所以M理论也叫“膜论”。

M理论中空之间的空间被扩展了一个维度，成为10维空之间的空间，时间是11维空。超弦理论已经在普朗克长度下压缩了六个维度，再增加一个维度似乎无关紧要。但是M理论增加的这个新维度不一定是微小的收缩维度，可以是非常大的维度。

这改变了我们看待世界的方式，意味着“弦”会被拉伸成“膜”。基本的物质构成不再只是一维的振动弦，还有零维的点粒子、二维的振动膜、三维的波动液滴、不同维度的高维“膜”，都有相应的高达九维的结构。它们的大小可以有很大的范围，小到足以描述基本粒子，大到足以包含所有可观测的空空间。一般P维的“膜”称为“P膜”，比如弦是“1膜”，我们所在的三维空空间是“3膜”。根据M理论，是薄膜的碰撞导致了各种粒子的产生。甚至我们的宇宙也是电影碰撞的产物。

可以说第一次超弦革命统一了量子力学和广义相对论，发现了量子自洽的五种超弦理论；第二次革命统一了五种不同的理论，并预言了更大的M理论的存在。

20.4平行宇宙

由于M理论中新增加的维度可以非常大，我们可以得到一个推测，我们的宇宙可能是漂浮在更高维度中的三个膜空。换句话说，高维空里有很多个三片，也就是说有很多个平行宇宙，我们的宇宙只是其中之一。我们无法直观地想象这个形象，只能用三维空中的二维宇宙来类比。如图20-7所示，从三维空看，一系列二维宇宙近在咫尺，但对于只能感知二维的生物来说，根本看不到任何其他宇宙。同样，也许另一个宇宙在第四维空中离我们很近，但我们根本没有注意到。

M理论中的这个平行宇宙和Everett在多世界解释中构建的平行宇宙是不一样的。比如M理论中的平行宇宙是不同的人，而埃弗雷特的平行宇宙是一个人不断分裂成新的相似的人。

我个人认为埃弗雷特的分裂是荒谬的，而有不同的平行宇宙是正常的。既然宇宙可以诞生，我们就没有理由认为只有我们的宇宙诞生了。

M理论的一个关键因素是狄利克雷膜的概念，简称D膜。已经证明，开弦的两端自然会粘在D膜上，闭弦则没有这种约束。大多数粒子如夸克、轻子和光子都可以用开弦来表示，除了引力子用闭弦来描述。所以除了引力子，所有的粒子自然都粘在D膜上。另一方面，引力子会自由地离开D膜，飞向其他维度。也就是说，引力子可以在更高维度的空之间穿梭。

我们的宇宙是一部D片，解释了为什么引力比其他三种力弱30个数量级以上。事实上，引力也很强，但引力子分散了，使其强度泄漏到其他维度，所以我们宇宙感受到的引力很弱。相反，其他三种力的透射粒子都牢牢地固定在我们的宇宙中，所以我们感受到的力是极其强大的。

现在M理论还在发展中，M理论本身的理论框架还没有完全建立起来。关键的是，超弦理论和M理论并没有得到实验的严格验证，也没有被科学界完全接受。其中，超对称是一个关键问题，因为超对称需要一个相同质量的费米子和一个玻色子成对出现，这在自然界中从未发现过。作为宇宙终极理论的一块基石，其结果只能等待时间的检验。

附录里有交叉宇宙吗？

关于宇宙，我有一些个人想法和读者朋友们探讨。目前所有的宇宙都定义为平行于我们宇宙三维方向的三维空。也就是说，如果空之间有四个维度(w，x，y，z)，那么所有平行宇宙都在(x，y，z)方向的空上，看不到另一个维度w。

但是我有一个疑问，为什么在(w，x，y)(w，x，z)(w，y，z)三维中没有宇宙空？如果真的有这样的宇宙，它会和我们的宇宙有交集。例如，(w，x，y)空将与我们的(x，y，z)空有一个xy交集。M理论中空之间有十个维度，那么平行宇宙会和我们的宇宙有多大的交集？暗物质和暗能量和这个交集有关系吗？

作为一个直观的类比，图20-8展示了二维平行宇宙和三维空空间中交叉宇宙的区别。

(从量子到宇宙，作者高鹏。)