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2024-03-07 23:14:04
超弦到底是什么？ | 戴瑾 - 知乎
超弦到底是什么？ | 戴瑾 - 知乎首发于风云之声切换模式写文章登录/注册超弦到底是什么？ | 戴瑾袁岚峰科研话题下的优秀答主导读超弦是一种流行的、尚未被证实的基础物理理论。让我以本文帮助一般读者，特别是有一些物理或工程背景的人来理解这个玄妙的理论。经常阅读科普，对物理学有兴趣的朋友们，大都听说过超弦。超弦是一种流行的、尚未被证实的基础物理理论。让我以本文帮助一般读者，特别是有一些物理或工程背景的人来理解这个玄妙的理论。解释超弦，让我们首先从弦说起，从大家都见过的琴弦说起。琴弦能够振动发声，它们振动的模式用慢镜头看，就是下图这样。因为两端被固定，琴弦有了这一类特定的振动模式。这样的振动叫做驻波，也可以看成一列波在两端来回反射。驻波的特点是波长和频率只能是一些特定的值，上图右的四种振动模式，波长的比例是1：1/2：1/3：1/4，频率的比例是1：2：3：4。琴弦越短，最低的那个频率就越高。所有的弦乐器，从古筝到钢琴、从琵琶到吉他、从二胡到小提琴，都用这个原理来控制音高。在最低频率之上，其他的频率是这个频率的整数倍，叫做泛音。这一组基本的振动模式可以合成复杂的振动模式，如上图左。不同乐器中这些泛音的混合比例不同，于是我们听到了不同的音色。超弦理论认为，我们的世界是由振动着的弦组成的。现代物理学中的所有粒子，比如电子，实际上都是尺度非常短的弦！且慢，你可能会问，粒子是飘在空中走的，琴弦是两端固定起来的，我为什么没见过飘在空中振动的弦？如果你想到这一层，你对物理学还是挺有感觉的。弦上有振动的前提是有张力，玩过乐器的人都知道，琴弦一定要从两端拉紧，拉得越紧，音调就越高。超弦中的弦自带张力，简单地讲，就是它的能量和长度成正比。但那样的话，它自然会缩成一个点，怎么会振动呢？这是因为它们是量子的弦。量子力学是不许静止的，比如一个粒子，如果把它约束在越小的空间里，就需要越高的能量；如果把它固定在一个点上，那是不可能的，需要无限高的能量。量子力学中，任何一种振动模式都有一个最低的能量，在那之上，能量可以是一系列等间隔的值，叫做能级；能级的间隔正比于振动频率。所以，量子的弦不可能缩成一个点，它可以飘在空中不断振动。组成世界的弦可能有两种，自成一个圈的叫闭弦，打开的就叫开弦。就像上图那样，有各自的驻波，和琴弦上的驻波略有不同，但基本原理是一样的。它们飘在三维空间里，还可以有带着旋转等各种振动模式——请发挥自己的空间想象力。而且，量子力学中粒子有波粒二象性，比如光线中的光子就在光波上。所以这些弦，一方面自身带着驻波振动，另一方面作为一个整体又在一列时空中的波上，这是不是有些烧脑？为什么认为世界是由弦组成的？要解释这一点，我们要首先谈谈粒子。在现代物理学的基础理论中，世界是由基本粒子组成的。比如电子、光子都是基本粒子。原子核中的质子和中子不是基本粒子，它们是由叫做夸克的基本粒子组成的。基本粒子必须是一个点，半径是零的点！这个太难理解了，为什么粒子不可以有一个半径？这要去问爱因斯坦，把相对论和量子论拉到一起是很麻烦的。爱因斯坦的相对论告诉我们，没有绝对的刚体，任何有尺寸的物体都必须能够形变。设想一个小钢球撞到墙上，如果小球是作为一个整体弹回去，小球接触墙的一面和相对的一面同时回弹，这就意味着对面不需要时间就收到了触墙的信息；但信息是不可能超光速传播的。实际情况是：小球触墙时发生形变受到挤压，这个挤压以声音的速度传到对面后，小球才开始整体回弹。这个过程快得我们肉眼看不见，但那一声响我们都能听到。所以，如果粒子是一个小球，它必须能够形变，有前面讲过的类似于弦的驻波振动，按照量子力学，这些振动停不下来，还有各种能级激发。首先从实验的角度，没有观测到任何这样的迹象。而从理论的角度，物理学家相信世界在基本层面是简单的，小球一样的粒子太复杂了。（读到这里你可能要问：那为什么要接受弦？我们晚些时候回答这个问题。）现代物理学解释粒子和它们之间的相互作用的理论，叫做量子场论。比如我们很熟悉的电磁场，电磁场有电磁波。之前讲过，量子力学里每一个振动模式上都有一系列等间距的能级，这就相当于这一列波上有1个、2个、3个、4个光子。在量子场论的方程式中，场与场之间的相互作用是发生在同一个时空点上的，大致就像下面这个样子：这是电子和光子的场在同一个时空点上做乘法，说的是光子从电子上辐射出来，画出图就是下面这个样子，简单清晰：下面的这张图是两个电子相遇，通过电磁场发生相互作用，各自改变了轨迹。中间那条波浪线是电磁场的一个扰动，叫做虚光子。场的扰动也是量子化的，这就是虚粒子。量子场论给出了计算这些图的规则，这些计算虽然可能非常复杂，但基本原理是简单清晰的。量子场论中粒子之间的相互作用都发生在同一个时空点上。如果粒子是一个有直径的小球，那它们的场岂不是会在不同的时空点上，在直径的范围内都发生相互作用？想想那样的方程式写出来该有多复杂？当然那样的作用叫超距（超光速）作用，是违反相对论的。所以，在超弦理论诞生之前，点粒子是物理学唯一接受的基础物质模型。点粒子对于常人来讲很难理解，在理论上也的确遇到了严重问题。在量子力学中，粒子和粒子系统没有确定的随时间演化的轨迹，需要对所有可能发生的中间状态求和才能得到发生最终结果的概率。于是就有下面那样的图，这张图说的是因为电子带电荷，于是周边有电场，电磁场的扰动会和电子场的扰动相互作用，在中间哪个圈子里面的是一个虚光子和一个虚电子。虽然是一个电子进来、一个电子出去，但这种相互作用会改变电子的质量。既然要对所有中间态求和，当然就包括高频的电场扰动，和反转高频的电子场扰动。量子力学中能量和频率成正比，也就是说包括高能的虚光子和负高能的虚电子（能量守恒仍然是必须遵守的，两个虚粒子的总能量等于原来那个电子的能量）。但这个求和结果却是无穷大！积分在高能的虚粒子那一边发散。电子的质量当然不是无穷大，这个发散难题困扰了物理学界足有20年，到了上世纪60年代才得到解决。解决这个问题的前提是认识到我们这个理论肯定在高于某一个特征能量时就不适用了。如果我们假设高于一个截断能量的虚粒子可以不予考虑，我们发现这个发散的积分是这个截断能量的对数，大致就是下面那个样子。大家知道，即使一个非常非常大的数，它的对数也是一个不大的数。对数前面的系数是个很小的数，所以我们可以说，我们的理论可以认同一个非常高的截断能量，但上面那张圈图对电子质量的贡献不但不是无穷大，实际上是很小的。光这么说也没用，因为还是算不出一个确定的值，一个不能做准确的定量计算的物理理论是没有用的。但没关系，物理学不必追求预测电子的质量，科学的任务是建立现象之间的联系。理论物理学家们发现，当把一系列算不清楚的东西归结到电子质量、电子电荷这样很容易测量的物理量之后，所有其他的物理过程，一切碰撞和辐射的概率，都可以被准确计算。这一套理论叫重整化。其中电子的磁矩被计算到了11位有效数字，和实验测量完全符合！这是量子场论的伟大胜利，但这个胜利的前提是承认自己不是终极真理，否则就不能自圆其说。在一个截断能量之上，这套理论就不能用了。在量子力学中，高的能量对应于短的波长、小尺度的细节。也就是说，靠近电子这个点很短的距离内，我们需要更高级的理论。那么这个能量、这个尺度到底在哪里？对量子引力的研究给了物理学家们提示。你大概也听说过前几年引力波被发现了。量子力学讲波粒二象性，有了引力波就应该有引力子。再看上面那个圈图，电子有质量，周围自然也有万有引力的场，想象一下圈里的那条波浪线，如果不是虚光子而是虚引力子，会怎么样？你可能会想，库伦定律和万有引力定律几乎一样，光子换成引力子应该不会有什么不同吧？错了！万有引力定律根本不是完整的引力理论，要认识引力波和引力场，我们需要爱因斯坦的广义相对论。在相对论里，质量是和能量成正比，引力也是和能量成正比的，电子的电荷则根本就不会随着能量变化。如果计算量子引力，上面那张图是能量越高的虚粒子贡献越大，是随着截断能量平方发散的，引力场对电子质量的贡献是货真价实的无穷大。量子引力不可重整化，算不出任何东西。我们知道，引力是一种非常弱的相互作用。像地球那么重的东西，我们才比较容易地看到它的引力。区区一个电子，正常情况下它的引力比电磁力弱太多了。要到一个被称为普朗克能量的量级，它的引力才可以和电磁力相提并论。这个能量大约是10^19GeV，对应的量子尺度是10^-35米。所以量子场论的截断能量一定低于普朗克能量，否则引力对电子质量的贡献比电磁力还大，不合理了。普朗克能量是一个很高的能量，大约相当于一颗航空炸弹爆炸释放的能量，但需要把这么多能量集中在一个粒子上。可见的将来，人类都不能通过实验来探索这么高能量的物理现象。量子引力是一个纯学院性的理论问题，但没什么能挡住科学家们对真理的思考。大家都知道在普朗克的尺度下，我们需要一个全新的物理理论。保守一点儿，在这个尺度下粒子不再是一个点；激进一点儿，也许这个尺度下时空都不是连续的。弦论是相对保守的，它继承了量子论和相对论的成果，也认为时空在普朗克尺度下仍然是连续的，和我们宏观世界的时空一样。它只是修改了物质的模型，从点粒子变成了弦。把粒子换成弦以后，上面那个电子之间发生电磁作用的图就变成了下图的样子（左侧开弦，右侧闭弦）：如果把不同的时间点分开画，弦之间的相互作用大致是这样的：弦虽然是一个有尺度的物体，但它们之间的相互作用是在一个时空点上的拼接或断开，这样的相互作用方式是符合相对论的。计算方法虽然比场论更复杂，但其基本原理仍然是简单明确的。特别好的是，所有的计算结果都是有限的，点粒子场论的发散问题被彻底解决了！那么，弦上的那些驻波振动模式对应着什么？弦论学家的答案是：不同的振动模式对应于不同种类的粒子。我们已知的和尚未被发现的所有基本粒子，都是同样的弦上的不同模式！进一步的，他们发现有一种闭弦的模式，从其特性和相互作用方式来看，就是引力子！大致就是下面那个样子。终于，有了一个自洽的量子引力理论！那么超弦中的“超”是什么意思？这可比解释弦更麻烦。我们只能非常粗浅地说说：“超”是超对称的缩写。量子力学把粒子划分成两类：费米子和玻色子。构成物质世界的基本粒子，比如电子、组成原子核的夸克，都是费米子。费米子必须遵守泡利不相容规则，一列电子场的波上，只能有一个电子；准确地说是两个，但自旋方向必须相反。泡利不相容原理决定了原子中的电子必须在轨道上按顺序占位，于是每一种元素都有了自己独特的化学属性。另一类是在它们之间传播相互作用的粒子，比如光子、把夸克粘在一起的胶子、传播弱相互作用的W、Z粒子，它们都属于杨振宁先生发明的杨米尔斯规范场，所以又叫规范粒子；它们连同引力子一起、都是玻色子。玻色子可以很多个聚集在一个状态上，比如激光中所有的光子都聚集在同一列波上。如果我们的世界是超对称的，那么每一个基本粒子都会有一个超对称伙伴，费米子配玻色子，玻色子配费米子，除了自旋不同，超对称伙伴的质量和所有物理参数、相互作用方式都是相同的。有一部分物理学家认为，我们的世界原本是超对称的，只不过这种超对称性破缺了，原来的超对称伙伴变得质量很重，暂时找不到。虽然目前所有寻找超对称伙伴的实验努力都失败了，也并不影响他们喜欢超对称。超弦就是超对称的弦，这种弦上面除了有时空坐标变量，还有一个相伴的费米属性的场变量。没有这个变量的普通的弦叫做玻色弦，玻色弦中最低能量的基态有问题，并且它的各种模式中找不到费米子。超弦就没有基态的问题，并且既有玻色子又有费米子，显然更像我们的世界，所有一开始就更有吸引力。但超弦只能生活在10维时空里，否则就会出问题，这一点又不像我们的世界。弦论学家们于是想到，也许我们的世界就是10维的，只不过有6维是很小的封闭空间，在我们的日常生活中、在今天科学的探测尺度上看不到，于是我们感觉自己生活在四维时空里。进一步的研究发现，对于那个6维小空间，超对称性偏好特殊的一类：卡丘空间，这是华人数学家丘成桐先生首先研究的。上面就是一个卡丘空间的例子。其实这是一个二维的曲面，它只不过是6维的卡丘空间的一个截面，可以让我们感受一下它有多复杂。对于这么复杂的高维空间，人类的空间想象力没什么用，它们是用复数多项式这样的代数方法去研究的。超弦+卡丘空间+四维时空，很像我们的世界。在这种弦理论中，出现了费米子、规范粒子，更重要的，有引力子并且不受无穷大的困扰。它也很像很多物理学家希望中的世界，有超对称性，有一个把所有的相互作用统一起来的大规范场。从上世纪80年代起，它风靡了整个物理界。但它毕竟不是一个被证实、被业内所有人接受的的理论。它的魅力在于它是一个万物理论--Theory of Everything，全宇宙的一切都包含在这个理论里。它的困难也恰恰在于此，它不能够只满足于解释量子引力，它理论上还必须能够计算电子和质子的质量、电子的电荷等等。如果它不能解释整个世界，它就无法成功。这应该是所有远大理想面临的问题吧。扩展阅读：戴瑾|转基因的争论，其实无关科学1976年，国民经济有没有到崩溃边缘？| 戴岚山我为曾经的中国教育自豪 | 戴岚山再谈无人机作战 | 戴岚山中国需要几艘航母？不多 | 戴岚山看到苹果落到地上，牛顿是怎样想到万有引力定律的 | 戴岚山作者简介：戴瑾博士，北京超弦存储器研究院存储架构首席科学家。拥有70多项发明专利。著有科普读物《从零开始读懂量子力学》，北京大学出版社出版。背景简介：文章2022年1月18日发表于微信公众号 北京超弦存储器研究院（超弦到底是什么？），风云之声获授权转载。责任编辑：孙远发布于 2022-01-21 20:00超弦理论弦论赞同 16416 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录风云之声风云学会，科学素养，家国情怀，横跨文理，纵
超弦理論 - 维基百科，自由的百科全书
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序言
1理論基礎
2弦理论中的超对称
3懷疑論
4註釋
5參考文獻
6參閲
7外部链接
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超弦理論
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未解決的物理學問題：請問超弦論、超弦理論或M理論等等類似理論，是否向萬有理論的康莊大道邁上一大步，還是一條死胡同？
超弦理论（英語：Superstring Theory），属于弦理论的一种，有五個不同的超弦理論。超弦理論旨在探尋一可統一各基本作用力及解釋基本物質的理論，透過嚴謹的數學框架來定義和賦予物質質量、解釋萬物運行規則。也指狭义的弦理论。是一種引進了超對稱的弦論，其中指物質的基石為至少九維時空中的弦。
理論基礎[编辑]
十一維時空（十維空間加一維时間）
为了将玻色子和费米子统一，科学家预言了这种粒子，由于实验条件的限制，人们很难找到这种能够证明弦理论的粒子。超弦理论作为最为艰深的理论之一，吸引着很多理论研究者对它进行研究，是萬有理論的候選者之一(指小至可來解釋我們所知的一切作用力，大至於解釋宇宙所有物理奧秘的全面性理論)。
超弦理論將次原子粒子都被視為受激而振動的多維迴圈（開頭所提的10維空間）。
超弦理論與傳統的量子力學一樣，將不確定性視為真正的隨機。
以膜理論解釋弦與三維空間和多維度空間的關係。
弦理论中的超对称[编辑]
弦論的對偶性：黃色箭頭為S對偶，藍色箭頭為T對偶，而IIA型弦與E型雜弦則亦可與M理論有對偶聯繫（此對偶又可稱之為U對偶）
弦理论是我们知道的唯一能融合广义相对论和量子力学的方式，但只有超对称的弦理论才能避免快子问题，才能包括费米子振动模式从而才能说明组成我们世界的物质粒子。为了实现引力的量子力学，也为了一切力和物质的大统一，超对称性与弦理论手拉手地走来了。假如弦理论是对的，物理学家希望超对称性也是对的。
主要類型有：
I型弦
IIA型弦
IIB型弦
O型雜弦（SO(32)）
E型雜弦（E8×E8）。
若納入對偶性以及超重力，則可統一出M理論的框架，常見的對偶有T對偶、S對偶、U對偶。
懷疑論[编辑]
1979年諾貝爾獎得主、美國物理學家谢尔登·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）是超弦理论的怀疑者，因为其不能提供实验可检验的预言。他曾经试图阻止超弦理论家进入哈佛大學物理系，但是哈佛大學还是接受了超弦理论，于是他选择了离开。[1] 在約十分钟《弦论这件事》（《优雅的宇宙》第二部分）的采访中，他认为超弦是一门与物理没有关系的学科，并且说：“...你可以把它称为肿瘤...”[2]。
註釋[编辑]
^ Jim Holt, "Unstrung", The New Yorker, October 2, 2006. [2014-07-28]. （原始内容存档于2011-06-06）.
^ "there ain't no experiment that could be done nor is there any observation that could be made that would say, `You guys are wrong.' The theory is safe, permanently safe." He also said, "Is this a theory of Physics or Philosophy? I ask you" NOVA interview （页面存档备份，存于互联网档案馆）)
參考文獻[编辑]
Kaku, Michio. Introduction to Superstring and M-Theory 2nd edition. New York, USA: Springer-Verlag. 1999. 引文格式1维护：冗余文本 (link)
Shen, Sinyan. Introduction to Superfluidity 2nd edition. Beijing, China: Science Press. 1982. 引文格式1维护：冗余文本 (link)
Greene, Brian. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Random House Inc. 2000.
Greene, Brian. The Elegant Universe（台灣中文譯本《優雅的宇宙》或大陸中文譯本《宇宙的琴弦》）. W.W. Norton and Co. New York,NY. c1999. ISBN 978-0-375-70811-4
參閲[编辑]
對偶性 (弦論)
第一型弦理論
第二型弦理論
混合弦理論
超對稱
萬有理論
M理論
F理論
外部链接[编辑]
超弦发展史 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
訪費因曼談超弦論 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
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为何很多著名学者反对超弦理论？ - 知乎
为何很多著名学者反对超弦理论？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册超弦理论理论物理伪科学弦论弦理论（书籍）为何很多著名学者反对超弦理论？为何很多著名学者反对超弦理论？超弦是否对人类发展有非常积极的作用？超弦或者其他所谓的终极理论能否代替实验研究发明杂交水稻等把科学做到终极完结？ 另一个…显示全部 关注者1,102被浏览1,504,391关注问题写回答邀请回答好问题 9419 条评论分享113 个回答默认排序想飞的猪很傻，很天真 关注杨振宁谈超弦理论问：您对超弦理论的看法怎样？杨振宁：超弦是目前高能物理理论的一个热门，我估计全世界大约有100多位有博士学位的人在做这方面的工作。我很难相信这个理论最后会是对的。高能物理理论最基本的观念是场，是场论。场的观念是从法拉第（Michael Faraday）开始，经过麦克斯韦（James Clerk Maxwell）到现在，经历无数周折，通过无数实验验证后提炼出来的一个总的想法。超弦则另起炉灶，把场的观念推广，没有经过与实验的答辩阶段。超弦方面的文章很多，但没有一篇真正与实验有什么关系，它很可能是一个空中楼阁。在石溪（Stony Brook）有研究生问我，他是不是应当做超弦理论，我的回答是，高能物理中有很多重要问题没有解决，超弦理论中也有一些很妙的数学结构，如果你对它很感兴趣，又很有能力做这方面的事，对微分几何和拓扑有很好的直观了解，并且有条件和别人讨论，你不妨去做。但是如果你认为这个方向准是对的，将来你可能失望。因为超弦的想法和实际物理接触太少。与实际物理接触少的不一定不能成功，但成功的机会比较小。它的数学结构很妙，你吸收这些妙的方面，也许对你将来发展某种真正解决问题的想法有帮助。从这个立场出发，你可以做做超弦。我对研究生的这个讲法包括了我对整个这一类纯结构问题的态度。一种从抽象数学中想出来的见解，后来在物理中大大成功的例子非常少。你要了解这一点，否则后来你可能很失望。可以这样看数学、理论物理和实验的关系：4.数学------3.物理的理论结构------2.理论与实验相结合的部分------1.实验2和3结合起来就是理论物理。一个理论纯结构是通过2与实验联系起来的。纯结构如果最后不能与实验联系起来，长时间在物理学中就失去地位，消灭掉。物理学中的价值观念最后还要从实验中来。超弦还没有通过2与实验联系起来。如果你问我，要不要做超弦，我的回答是我在任何时候都不会去搞这种东西。如果我能花两个星期弄懂它，也许我会花两个星期。但现在它已经复杂到这种程度，我不相信我花半年时间就能做出别人还不知道的东西，因为在这个领域聪明的人很多。花半年时间是一笔很大的投资，而且它不与我喜欢的物理接近，所以我不会去搞它。我自知我也会做超弦中的那一类数学演算。可是假如我今天是一个研究生，而且对物理学发展的了解已达到我今天的程度，我一定会去做纯粹数学。在纯粹数学中妙的东西很多，我为什么不用时间和能力去做对数学有真正发展的工作，而去做既非物理又没有长久数学价值的东西呢？问：现在也有人做超弦的唯象工作。杨振宁：那些都是牵强、牵强而又牵强的工作。既然有了一个纯结构，就有人硬想把它和实验联系起来。现在不但超弦，而且超对称也没有与实验联系起来。问：您对超弦的前景不乐观，但是一些人仍然认为超弦理论是实现大一统理论的最主要候选者杨振宁：我记得费米说过，太形式化的东西不是不可能引出重要的物理，但可能性通常很小。超弦中有很妙的数学结构，它假设在我们熟悉的时空维度之外很有若干维度，这是迄今为止无法验证的。问：我倒是想起科学史上的一个例子：托勒密体系在解释天体运动时需要引进本轮和偏心圆等概念，为了应付不断观测到的行星运动的逆、留、疾、迟等现象，该体系就要不断造一系列的轮中之轮，结果把宇宙这部机器搞得异常复杂，哪里有个轮子出了问题，整部机器就瘫痪了。很难设想喜欢简洁的上帝会设计这样笨重的机器。杨振宁：在我看来托勒密体系的唯象意义还是蛮成功的，超弦的唯象解释至今还非常牵强。问：会不会再出来一个哥白尼，告诉大家这条路不通，上帝根本就不是这样设计的呢？杨振宁：这也是可能的。无论如何，现在有很多方案致力于大统一问题，大统一这个方向是正确的。编辑于 2021-10-20 01:08赞同 3833452 条评论分享收藏喜欢收起知乎用户科研领域，没有任何一个方向能被事前定义为误人子弟。科研，是作为一个整体在寻找正确的路，关键就是“事前并不知道哪一条路是正确的，甚至不知道正确的路一共有多少条”，这导致确实有一大部分科研人员注定要做炮灰。但这不是一种错，更不是一种浪费，这是科学进步的必须，科研人员是作为一个整体在推动世界。嘲笑走错方向的科研人员，并不能加快世界的进步。一个方向科研人员所占整体科研人员比例，已经包含了基于当前所有已知信息，该方向成功的概率，不会有比这个更精确的先知了。编辑于 2017-02-03 12:01赞同 30522 条评论分享收藏喜欢
超弦理论（属于弦理论的一种）_百度百科
（属于弦理论的一种）_百度百科 网页新闻贴吧知道网盘图片视频地图文库资讯采购百科百度首页登录注册进入词条全站搜索帮助首页秒懂百科特色百科知识专题加入百科百科团队权威合作下载百科APP个人中心超弦理论是一个多义词，请在下列义项上选择浏览（共2个义项）展开添加义项超弦理论播报讨论上传视频属于弦理论的一种收藏查看我的收藏0有用+10超弦理论（英语：Superstring Theory），属于弦理论的一种，是一种引进了超对称的弦论，其中指物质的基石为十维时空中的弦。弦理论认为：宇宙的基本单元不是粒子，是因为弦在空间运动，才产生了各种粒子。各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。世界中所发生的一切相互作用，所有的物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来解释。中文名超弦定理外文名Superstring Theory提出者加来道雄（MichioKaku）博士适用领域弦理论应用学科物理学目录1原理简介2定义3出现背景4具体解释▪简介▪矩阵理论5作品介绍6相关会议原理简介播报编辑爱因斯坦在生命的最后30年里一直在寻找统一场论—一个能在单独的包罗万象的和谐的数学框架下描写自然界所有力的理论。爱因斯坦这样做的动机不是我们常想的那些与科学研究紧密相关的东西。例如，为了解释这样或那样的已知现象或实验数据。实际上，驱使他的是一种关于自然界基本规律内在美的信念：对宇宙的最深刻认识将揭示它的最真实秘密，那就是，它所依赖的原理是简单而有力的。爱因斯坦渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘，由此而展示的自然界的动人美丽和优雅，将让每一个第一次知道的人产生有生以来最强烈的敬畏、惊讶和震撼。弦理论或者超弦理论是那些像量子和夸克等等已经融入大众词典的诸多新科学专用词汇之一，但它们却很少能被人解释清楚。即使会议的参加者也会告诉你，超弦理论，像许多新兴科学和研究领域一样，涉及了许多高前沿的数学领域，并不是很容易能把握的。简单说来，我们可以这样来定义超弦理论：(1)超弦理论是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；(2)超弦理论认为弦是物质组成的最基本单元，所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克等都是弦的不同振动激发态；(3)超弦理论第一次将二十世纪的两大基础理论-广义相对论和量子力学-结合到一个数学上自洽的框架里；(4)超弦理论有可能解决一些长期困扰物理学家的世纪难题如黑洞的本质和宇宙的起源。(5)超弦理论的实验证实将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。首先，我们发现，弦理论描述自然界的活动还真有几分科学幻想的成份。举例来说，弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。要理解弦理论的高维属性并不困难。(参见《宇宙的琴弦》P. 180-181)在弦理论中就有许多这样极小的额外空间维数，因此，微观世界并不像我们普遍感觉到的世界那么简单。在宏观尺度上，弦理论也可能用来解释宇宙大爆炸的开始和黑洞内部的行为，而这些问题是以前的物理理论包括爱因斯坦的广义相对论都失效的地方。发展的弦理论是有关时间和空间的量子理论，因此理论看起来也就显得非常非常的奇怪。弦理论的一个基本观点就是自然界的基本单元不是像电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子，这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦)，闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。因此弦理论从一些非常基本和简单的单元就能得到宇宙的无穷变化和复杂性。在弦理论中，人们自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力，而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进去的或者是与量子理论相冲突的，在弦理论中它们都协和地统一起来了，并且是彼此需要、独一无二的。弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象：当我们用力拨动琴弦时，振动会很剧烈；轻轻拨动它时，振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理，能量和质量像一枚硬币的两面，是同一事物的不同表现：大能量意味着大质量，小能量意味着小质量。因此，振动较剧烈的粒子质量较大，反之，振动较轻柔的粒子则质量较小。依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成，而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。物理学家还发现，弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间，一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。这里又涉及到了四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间就存在引力，物体的质量越大，引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷，则不受电磁力的影响，不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克结合在一起的力，所以也叫核力。像电磁力一样，也起源于电荷，不过只是夸克间的电荷，物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说，假定以电磁力的强度为一个单位强度，则强力要比这个单位大出100倍，弱力只有1/1000，引力小到几乎是可以忽略不计的：在微观世界中，它只有电磁力的10^40分之一！从作用范围上来说，引力的作用范围是宇宙范围的；电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远，但实际上，大多数物体正负电荷相互抵消，其外部都呈电中性；而强力和弱力的作用范围则极小，只能在粒子范围内发生作用。这四种强弱悬殊、性质各异的基本力，完全控制了我们的宇宙。弦本身很简单，只是一根极微小的线，弦可以闭合成圈（闭弦），也可以打开像头发（开弦）。一根弦还能分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如，一根开弦可以分裂成两根小的开弦；也可以形成一根开弦和一根闭弦；一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦；两根弦碰撞可以产生两个新的弦。定义播报编辑大宇宙超弦理论属于弦理论的一种，也指狭义的弦理论，是物理学家追求统一理论的最自然的结果。这里的“超”有超对称性的意思。为了将玻色子（bosons）和费米子（fermions）统一，科学家预言了这种粒子，由于实验条件的限制，人们很难找到这种能够证明弦理论的粒子。超弦理论作为最为艰深的理论之一，吸引着很多理论研究者对它进行研究，如果真是理论预言的那样，我们将有可能建立一种大统一理论，来描述我们的宇宙。出现背景播报编辑20世纪的物理学有两次大的革命：一次是狭义相对论和广义相对论，它几乎是爱因斯坦一人完成的；另一次是量子理论的建立。经过人们的努力，量子理论与狭义相对论成功地结合成量子场论 [1]，这是迄今为止最为成功的理论。粒子物理的标准模型理论预言电子的磁矩是1.001159652193个玻尔磁子，实验给出的数值是1.001159652188，两者在误差是完全一致的，精确度达13位有效数值。广义相对论也有长足的发展，在小至太阳系，大至整个宇宙范围里，实验观测与理论很好地符合。但在极端条件下，引出了时空奇异，显示了理论自身的不完善。就我们的认识水平，量子场论和广义相对论是相互不自洽的，因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。这一更大的理论框架已初显端倪，它就是超弦理论。具体解释播报编辑简介超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果。爱因斯坦建立相对论之后自然地想到要统一当时公知的两种相互作用－－万有引力和电磁力。他花费了后半生近40年的主要精力去寻求和建立一个统一理论，但没有成功。回过头来看历史，爱因斯坦的失败并不奇怪。实际上自然界还存在另外两种相互作用力－－弱力和强力。已经知道，自然界中总共4种相互作用力除万有引力之外的3种都可有量子理论来描述，电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换“量子”来解释的。但是，引力的形成完全是另一回事，爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中，弥漫在空间中的物质使空间弯曲了，而弯曲的空间决定粒子的运动。人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力，这时物质交换的“量子”称为引力子，但这一尝试却遇到了原则上的困难－－量子化后的广义相对论是不可重整的，因此，量子化和广义相对论是相互不自洽的。超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论，自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式。与以往量子场论和规范理论不同的是，超弦理论要求引力存在，也要求规范原理和超对称。毫无疑问，将引力和其他由规范场引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的特点之一。因此，从1984年底开始，当人们认识到超弦理论可以给出一个包容标准模型的统一理论之后，一大批才华横溢的年轻人自然地投身到超弦理论的研究中去了。经过人们的研究发现，在十维空间中，实际上有5种自洽的超弦理论，它们分别是两个IIA和IIB，一个规范为Apin(32)/Z2的杂化弦理论，一个规范群为E8×E8的杂化弦理论和一个规范为SO（32）的I型弦理论。对一个统一理论来说，5种可能性还是稍嫌多了一些。因此，过去一直有一些从更一般的理论导出这些超弦理论的尝试，但直到1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像。存在一个唯一的理论，姑且称其为M理论。M理论有一个很大的模空间（各种可能的真空构成的空间）。5种已知的超弦理论和十一维超引力都是M理论的某些极限区域或是模空间的边界点。有关超弦对偶性的研究告诉我们，没有模空间中的哪一区域是有别于其他区域而显得更为重要和基本的，每一区域都仅仅是能较好地描述M理论的一部分性质。但是，在将这些不同的描述自洽地柔合起来的过程中我闪也学到了对偶性和M理论的许多奇妙性质，尤其是各种D－膜相互转换的性质。在此我们不得不提到超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射，这是第一次从微观理论出发，利用统计物理和量子力学的基本原理，严格导出了宏观物体黑洞的熵和辐射公式，毫无疑问地证明了超弦理论是一个关于引力和其他相互作用力的正确理论。将5种超弦理论和十一维超引力统一到M理论无疑是成功的，但同是也向人们提出了更大的挑战。M理论在提出时并没有一个严格的数学表述，因此寻找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点。道格拉斯（Douglas，MR）等人仔细研究了D－膜的性质，发现了在极短距离下，D－膜间的相互作用可以完全由规范理论来描述，这些相互作用也包括引力相互作用。因此，极短距离下的引力相互作用实际上是规范理论的量子效应。基于这些结果，班克（Banks，T）等人提出了用零维D－膜（也称点D－膜）作为基本自由度的M理论的一种基本表述－－矩阵理论。矩阵理论矩阵理论是M理论的非微扰的拉氏量表述，这一表述要求选取光锥坐标系和真空背景至少有6个渐近平坦的方向。利用这一表述已经证明了许多偶性猜测，得到了一类新的没有引力相互作用的具有洛仑兹不变的理论。如果我们将注意力放在能量为1/N量级的态（N为矩阵的行数或列数），在N趋于无穷大的极限下，可以导出一类通常的规范场理论。许多迹象表明，在大N极限下，理论将变得更简单，许多有限N下的自由度将不与物理的自由度耦合，因而可以完全忽略。所有这些结论都是在光锥坐标系和有限N下得到的，可以预期一个明显洛仑兹不变的表述将是研究上述问题极有力的工具。具体来说，人们期望在如下问题的研究上取得进展：（1）全同粒子的统计规范对称性应从一个更大的连续的规范对称性导出。（2）时空的存在应与超对称理论中玻色子和费米子贡献相消相关联。（3）当我们紧致化更多维数时，理论中将出现更多的自由度，如何从量子场论的观点理解这一奇怪的性质？（4）有效引力理论的短距离（紫外）发散实际上是某些略去的自由度的红外发散，这些自由度对应于延伸在两粒子间的一维D－膜，从场论的观点来看，这些自由度的性质是非常奇怪的。（5）将M理论与宇宙学联系起来。显然，没有太多的理由认为矩阵理论是M理论的一个完美的表述。值得注意的是矩阵理论的确给出了许多有意义的结果，因此也必定有其物理上合理的成分，这很像本世纪初量子力学完全建立前的时期（那时，普朗克提出能量量子导出黑体辐射公式，玻尔提出轨道量子化给出氢原子光谱），一些有关一个全新理论的迹象和物理内涵已经被人们发现了。但是，我们离真正建立一个完美自洽M理论还相距甚远，因此有必要从超弦理论出发更多更深地发掘其内涵。在这方面，超弦理论的研究又有了新的突破。1997年底，马尔达塞纳（Maldacena）基于D－膜的近视界几何的研究发现，紧化在AdS5×S5上的IIB型超弦理论与大N SU（N）超对称规范理论是对偶的，有望解决强耦合规范场论方面一些基本问题如夸克禁闭和手征对称破缺。早在70年代，特胡夫特（´t Hooft）就提出：在大N情况下，规范场论中的平面费曼图将给出主要贡献，从这一结论出发，波利考夫（Polyakov）早就猜测大N规范场论可以用（非临界）弦理论来描述，马尔塞纳的发现将理论和规范理论更加具体化了。1968年维内齐诺（Veneziano）为了解决相互作用而提出了弦理论，发现弦理论是一个可以用来统一四种相互作用力的统一理论，对偶性的研究引出了M理论，马尔达塞纳的研究又将M理论和超弦理论与规范理论（可以用来描叙强相互作用）联系起来，从某种意义上来说，我们又回到了强相互作用的这一点，显然我们对强相互作用的认识有了极大的提高，但是我们仍没有完全解决强相互作用的问题，也没有解决四种相互作用力的统一问题，因此对M理论、超弦理论和规范理论的研究仍是一个长期和非常困难的问题。理论模型超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，就像琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。我们知道，不同的琴弦振动的模式不同，因此振动产生的音调也不同。类似的道理，粒子内部的弦也有不同的振动模式，不过这种弦的振动不是产生音调，而是产生一个个粒子。换言之，每个基本粒子是由一根弦组成。超弦理论认为，粒子并不存在，存在的只是弦在空间运动；各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用，所有的物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来解释。弦的运动是非常复杂，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须有高达十维的空间才能满足它的运动，就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成，而必须在三维空间中完成一样。作品介绍播报编辑作品信息11维空间宇宙学告诉我们，我们肉眼看到的三个空间维数正在膨胀，由此可以推测它们曾经是很小和高度弯曲的。一个自然的可能性是；也许存在与我们观测到的三个空间 维数垂直的其它空间维数，这些额外空间维数曾经是但仍然是很小和高度弯曲的。如果这些维数的尺度是够小，以我们现有的观测手段仍不是以直接推测到，但 是这些维数仍将以许多间接的效应表现出来。特别地，这是一个强有力的统一观念：在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子，在额外维数空间中，它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上，额外维数还是弦理论不可分割的一部分：弦理论的数学方程要求空间是9维的，再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明，由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向，因此理论的最大维数是11维。 最近的一些发展还提出了我们也许生活在低维的膜上面，但是引力仍然是10维的，为了得到现实的3维引力，可以通过引入“影子膜”或者Randall- Sundrum机制。Randall-Sundrum机制是一种束缚引力的新方法，这时，额外维度可以不是很小很小的。通过观测小距离情况下引力对平方反 比定律的偏离，或者是在粒子加速上或者是通过超新星爆发中产生的粒子散射进入额外维度因而看起来像消失一样等等奇怪的现象，也许我们有能力探测到这 些额外维度。弦理论不仅大大地拓展了人们的思维空间，将大大地拓展人们的活动空间。到现在为止还没有人观测到基本的弦。但正如多数参加“2006年国际弦理论会议”的人所相信的那样，如果弦是真实的，那么由爱因斯坦开创的广义相对论和量子理论的完美结合就不是遥遥无期的奢望了。弦理论的近期发展：第二次革命如果说超弦理论的第一次革命统一了量子力学和广义相对论，那么近年来发生的弦理论的第二次革命则统一了五种不同的弦理论和十一维超引力，预言了一个更大的M理论的存在，揭示了相互作用和时空的一些本质，并暗示了时间和空间并不是最基本的，而是从一些更基本的量导出或演化形成的。M理论如果成功，那将会是一场人类对时空概念、时空维数等认识的革命，其深刻程度不亚于上个世纪的两场物理学革命。从科学研究本身看，研究引力的量子化及其与其他互相作用力的统一是自爱因斯坦以来国际著名物理学家的梦想，但由于该理论涉及的能量极高，不能进行直接实验验证。尽管如此，一些技术和方法的发展，启发了很多新的物理思想，如解决能量等级问题的Randall-Sundrum模型和引力局域化，关于弦理论巨量可能真空的图景想法和人择原理等等。近期天文和宇宙学观察所取得的进展对弦理论的发展会起积极的促进作用。比如，近期观察的宇宙加速膨胀所暗示的一个很小的但大于零的宇宙学常数(或 暗能量)，为弦理论的发展提供了指导作用。反过来说，要在更深层次上理解近期的天体物理学观察和暗能量，没有一个基本的量子引力理论是行不通的，弦理 论是仅有的量子引力理论的理想候选者。二者的结合不仅对弦理论的自身发展有着指导作用，同时对理解和解释宇宙学观察也有很大的促进作用弦理论在中国：为第三次革命作准备在超弦的第一、第二次革命，以及随后的快速发展中，中国都未能在国际上起到应有的作用。我们在研究的整体水平上，与国际、与周边国家如印度、日本、韩 国，甚至和我国台湾地区相比都有一定的差距。内地学术界对弦理论的认识存在较大的分歧，一些有影响的物理学家，基于某种判断，公开地发表“弦理论不是物理”的观点。受他们的身份和地位的影响，这种观点在中国更容易被大多数人接受，因而在某种程度上制约了弦理论在中国的研究和发展。从教育和人才培养上看，我国的世界一流大学如北大、清华，在相当长的一个时期内都严重缺乏主要从事弦理论研究的人才，这种局面间接地制约了青年研究生的专业选择，直接地造成了国内研究队伍的青黄不接。值得庆幸的是，在丘成桐教授的直接推动下，伴随着浙江大学数学科学中心的成立，以及随后该中心和中国科学院晨兴数学中心每年举办的多次高水平专业会议，并邀请像安地·斯特罗明格这样一流水平的学者到中心工作，大大地推动了国内弦理论方面的研究。2002 年底，在中国科技大学成立的交叉学科理论研究中心，已经发展为非常活跃和具有吸引力的研究中心。成立4年来，通过多次举办工作周和暑期学校，在超弦理 论的人才培养和研究方面做了许多基础性工作。在本次国际弦理论会议之前，国际理论物理中心和中国科学院交叉学科理论研究中心还举办了“亚太地区超弦理论暑 期学校”，吸引了100多名参加者。这种种现象都表明，中国的超弦理论研究，在平静的外表下，正积蓄着旺盛的爆发潜力。很显然，一个国家或一个研究团体的整体水平，与这个国家将会在科研上出现的突破性进展的机会是成正比的，这就是所谓“东方不亮西方亮”的道理，也是所谓科学研究文化的建设重要性所在。忽略科学研究文化的建设，单纯追求诺贝尔奖，是一种急功近利的态度，其结果往往是“欲速则不达”。摆在超弦理论研究面前的，是一幅广阔的前景和一条艰难的道路，这是一条热闹又孤独的旅程，它所涉及的问题对年轻的学生和学者，有着强大的魅力，同时它对研究人员的专业素养有着很高的要求。2006年国际弦理论会议，对我们来说，是一次机遇——壮大队伍、提高水平，并随着整体水平的不断提高，在国际上占有一席之地。我们正在为弦理论的第三次革命作准备，也期待着她的早日到来。相关会议播报编辑代表人物大卫·格罗斯(David Gross)教授2004 年诺贝尔物理学奖获得者，2006年国际弦理论会议主席。现任美国加州大学Santa Barbara分校物理学教授，Kavli理论物理研究所所长，中科院理论物理所国际顾问委员会主席。格罗斯教授在理论物理，尤其是规范场、粒子物理和超 弦理论等方面有一系列杰出的研究成果。他是强相互作用的基本理论——量子色动力学的奠基人之一。他还是“杂化弦理论”的发明人之一。1985年当选为美国 科学与艺术学院院士，1986年当选美国国家科学院院士。爱德华·威腾(Edward Witten)教授国际著名理论物理学家，现任普林斯顿高等研究院教授，查尔斯． 西蒙(Charles Simonyi)教授。他的研究遍布高能物理和数学物理的诸多方向，最擅长将近代数学与物理学研究的前沿问题结合起来，其应用的典范有：Wess- Zumino-Witten项与拓扑项、反常与指标定理、Dirac算子与正能定理、超对称与Morse理论等。他与Green和Schwarz教授合著 的二卷本《超弦理论》自出版后一直是弦理论家的圣经。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)教授当代享有盛誉的伟人之一，被称为“活着的爱因斯坦”。他在解决20世纪物理学的两个非常成功的理论——广义相对论和量子理论的冲突方面走出了重要的一步。1973年3月1日，霍金教授在《自然》杂志上发表论文，阐述了自己的新发现——黑洞是有辐射的(霍金辐射)。霍金的新发现被认为是多年来理论物理学最重要的进展。该论文被称为“物理学史上最深刻的论文之一”。安地·斯特罗明格(Andrew Strominger)教授现任哈佛大学教授，美国科学与艺术院院士，主要研究量子引力、弦理论和量子场论。在弦理论的研究中，斯特罗明格和他的合作者利用微观黑洞的变轻和凝聚成功地描述了时空拓扑变化的相变过程。此外，斯特罗明格和同事瓦法(C. Vafa)成功地利用弦理论和统计力学，导出了黑洞的贝肯斯坦-霍金(Bekerstein-Hawking)熵公式，这一结果提示弦理论也许能最终解决霍金提出的黑洞信息丢失疑难。丘成桐(Shing-tung Yau)教授国际著名数学家，2006 年国际弦理论会议主席。现任美国哈佛大学教授，美国科学院院士，中国科学院外籍院士。丘成桐教授在科研方面做出了杰出的成就，赢得了许多荣誉。更为可贵的是，他十分关注中国基础研究的发展，并将其同自己的科研发展紧密联系在一起，多年来，一直运用他在国际上的影响和活动能力，协同各方面力量，为中国数学的发展做了大量的工作。新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号 京公网安备110000020000简洁就是一种美，超弦理论的发展史话 - 知乎
简洁就是一种美，超弦理论的发展史话 - 知乎首发于Crio的菜花自留地切换模式写文章登录/注册简洁就是一种美，超弦理论的发展史话宋志勇软件工程师，熟悉嵌入式系统，互联网系统，网络协议，音视频系统等。最近突然对物理学发展的历史非常感兴趣，而作为『万有理论』的候选理论之一的超弦理论，也许很多人还不太了解，但是也许即将在不久的二十年内，也许这个理论有理由完全颠覆目前我们对于物质与宇宙的认知，让我们更能深刻的洞察到万物的本质。弦理论的起源所有的故事，其实都起源于爱因斯坦发布的狭义相对论和广义相对论。相对论的提出，对于引力场有了完美的诠释，但是如何能够与之前的麦克斯韦的电磁力统一？1926年，爱因斯坦的同事克鲁扎首先发表了一篇论文，而后波尔的同事对克鲁扎的论文进行了改进，通过在原有的四维时空的基础上，引入新的一维空间，从而能够综合爱因斯坦的重力方程式与麦克斯韦的电磁学方程式；这个理论就称为克鲁扎-克莱因理论，并且在改理论中，认为多出的一维空间只存在于微观结构之下，因此在现实世界中无法观察。然而由于当时的科学家对于这种无法观测的高维理论缺乏兴趣，同时适逢量子理论的诞生，因此科鲁兹-克莱因理论无疾而终，但是这种高维卷曲的思想，却成为了后续弦理论的思想基础，颠覆了所有人的时空观。弦理论的第一次露面真正弦理论的诞生要到大概接近半个世纪以后。1968年，为了解释当时发现的核间的强相互作用力，意大利的物理学家维亚那多(Gabriel Veneziano）偶然发现了通过欧拉Beta函数，可以非常完美的描述几乎所有的粒子间强相互作用的规律（角动量与质量平方之间成正比的关系，即一条直线）。根据维亚那多的模型，粒子可以视为粒子可以视为在某空间的延伸量，就是一条线段，或者一条弦。这些弦由两个反方向的力保持了微妙的平衡，一个是张力，使得弦的两端靠近；一个加速力，会使弦的两端分离。做一个近似的类比：弦就类似于飞机的螺旋桨，随时随地都在转动；离心力使得弦的两端在分离，而向内的张力，则保持了弦的平衡。弦理论的提出，给物理学家提出了一种崭新的物质观，以前我们都把物质的基点看做一个无限小的质点，而弦理论则将其看做一条一维足够细小的线段；并且根据早期的弦理论，基于数学推导的原因，为了实现理论的自洽，需要扩展到高达26维的空间上才行；这就让弦理论成为一种玄学，当时的物理学家对于这种如此高维的时空，根本毫无概念，也无法通过试验方法对这个理论进行证伪；一个无法证伪的理论，当然也无法认可为是一个有效的物理理论。同时当时量子色动力学的问世，能够完美的解释粒子的强相互作用，成就了弦理论的初衷，因此量子色动力学自然就逐渐抢了弦理论的风头，弦理论再次被大家扔到了故纸堆中。而量子色动力学则逐渐完善，最终发展了标准模型理论，能够实现对电磁力、强相互作用力、弱相互作用力进行统一的解释，并且能够通过物理实验加以验证，成为在当前粒子理论物理学的主流理论。不过，虽然标准模型不论从理论上，还是实验上都能对物质有非常完美的解释，以及精确的语言，但是为了从数学的角度来讲，这却并不是一个具有『美』感的理论；为了解释物质及其相互作用力，标准粒子模型构建了61种粒子模型，分为了费米子和波色子两类；如果再包括重力子，则总的粒子数达到了62种之多。各种物质，及其相互之间的作用力，都是由这62道食材拼凑的结果，所以这个理论也是名副其实的杂盘理论。所以很多物理学家语言，标准粒子模型并非终极的物理理论，而极大可能是这个终极理论的中间态。弦理论的第一次革命虽然弦论被大多数的物理学所鄙视，但是它本身所具备的数学美感，却仍然让少数的物理学家对它痴迷；在这个过程中，物理学家通过弦理论已经很好的解释了波色子，在1970年，史瓦兹(John Schwarz )和他的同事南夫(Andre Neveu)发现可以描述费米子的弦论；但是这个描述费米子的弦理论却产生了一些实验上无法验证的粒子。这种粒子具有静态质量为零，但是拥有的自旋数为2.经过一段时间的研究，才发现这个粒子的描述，就是对量子重力场理论中假设的重力子的描述，从而发现了弦理论对重力场的微妙关系。1984年，弦理论迎来了它从发现以来后的第一次革命。史瓦兹和格林在自己1980年发布的基于十维时空模型的超弦理论中，引入了超对称的微空间模型-卡拉比-邱空间模型，从而消除了以往对于重力场量子化后，产生的发散（无穷大）问题。在这个最新的超弦理论中，为了从数学上实现物理理论的自洽，将我们的四维时空扩展为了十维时空，那为什么我们无法感知到另外的六维空间呢？物理学家给出的解释是额外的六维空间只存在微观结构中。这个思想完美的继承了最早科鲁兹-克莱因理论的五维时空的观点。由于微观结构的尺度（普朗克尺度以下）太过微小，因此我们无法观测到更高维的空间。常常类比的一个例子就是对于一个具有粗细的水管，如果观察的距离足够远，我们能看到的也只是一条一维的细线。这个理论是物理和数学理论的一次完美的结合，通过这个具有超对称结构的超弦理论，至少从数学上可以实现对目前已知的物质和物质的相互作用进行统一的描述。然而随着大家对超弦理论的深入研究，发现具有如下的事实：如果物质可以通过一维的弦来描述，但随着时间的变化，弦扫过的面是一个二维的面，甚至可以是多维的体，那是否可以由这些面或者体对物质进行描述呢？通过一段时间的发展，基于上面的思路，逐渐就形成了五种至少在物理理论上可以自洽的弦理论：Type I、杂优弦、Type II A、Type II B。如果作为终极理论，弦理论存在五个，这个貌似多了一点，由于目前的技术限制，也无法通过实验的方式去判断这五个理论谁对谁错？而作为引入了超对称的概念的超弦理论，也无法解释为什么超对称理论允许十一维，但是我们的超弦理论却只有十维。弦理论的第二次革命带着这些问题，弦理论终于在1991年迎来了它的二次革命。超弦理论的第二次革命是伴随着对偶性的发现而发生的。首先是T对偶过程的发现，将杂优弦、两种Type II型的弦理论进行了统一，而S对偶的发现，则将Type I型弦理论与杂优弦进行了统一。然而是否有一种理论能够最终统一这五种原始的超弦理论？1995年，南加州大学的物理学家威顿（Edward Witten）提出了在各种维数下超弦理论的动力学机制，从而系统性绘制了五种弦理论的统一的图像，从而提出了M理论。M理论是十维弦理论在是是十一维的扩展，它的终极目标是最终完成爱因斯坦在半个世纪前的遗愿：通过一个规律描述已知的所有力（电磁力、引力、强相互作用力、弱相互作用力）。并且随着M理论的不断完善，也已经取得了很多令人振奋的成果。超弦理论的未来超弦理论虽然在数据上有简洁之美，并且已经在如下方面取得了令人瞩目的成就：1、成功的将量子理论和相对论统一在了统一理论框架下；2、具有能力回答关于自然最基本的物质构成和力的初始问题；3、在宇宙学上，超弦理论成功的解释了霍金提出的黑洞的熵和辐射问题，这也是第一次从微观理论出发，利用统计物理和量子力学的基本原理，严格推导出了宏观的黑洞d额熵和辐射公式；4、虽然目前的弦理论还无法回答暴涨宇宙和暗能量的起源问题，但是该理论却启发了物理学家对这两个问题新的认知，相信随着弦理论的发展，也能够对这两个问题会有一个满意的解释；然而对于一个物理理论，无法通过实验去验证，也是存在了非常大的遗憾。正是因为这个缺陷，所以目前物理学界的部分物理学家还无法接受超弦理论为正统的物理理论。但是可以想一想，相对论当初提出来的时候，不是同样遭遇了如此的窘境？从目前的进展来看，M理论（有人称为膜理论、也有称为Monther理论）仍然是当前我们万物理论的唯一候选理论，而且目前M理论也得到了越来越多物理学家的支持，相信随着人类实现能力和水平的提高，超弦理论最终可以得到最终实验数据的支撑，从而真正实现通过一个原理，解释我们的世界，达成真正的简洁之美。编辑于 2018-01-09 20:40超弦理论物理学史赞同 868 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录Crio的菜花自留地一个二B非产品经理的产
《超弦理论》，万物的本质只是振动的能量而已 - 知乎
《超弦理论》，万物的本质只是振动的能量而已 - 知乎切换模式写文章登录/注册《超弦理论》，万物的本质只是振动的能量而已未来战士思想者移动端音频版：1、开场白我们都很熟悉牛顿运动定律，这是基本的物理学常识，但相对论和量子场论很多人可能就搞不懂了。即使你理解了相对论，其实也还只是一百多年前的物理学知识。教科书里只会教我们基础的知识，但面对科技飞速发展的现代世界，光靠这些常识是远远不够的。所以今天我们分享《超弦理论》，一起来简单了解下物理学的前沿科学研究。那么，什么是超弦理论呢？其实爱因斯坦曾经提出过统一场论，希望能把引力理论，和电磁理论统一起来。令人遗憾的是，虽然经过三十年的努力，但他最终呢还是未能成功。而超弦理论就是后来研究中，最有希望将四种相互作用力统一起来的理论。超弦理论认为呢，弦是物质组成的最基本单元，所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态；它第一次将广义相对论和量子力学-结合到一个数学上自冾的框架里；它呢也有可能解决一些长期困绕物理学家的世纪难题，比如黑洞的本质和宇宙的起源。虽然超弦理论还缺少实验证实，但未来它很可能会从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。2、核心内容科学是人类认识世界的方式之一，科学有一个标准叫做“可解释、可重复、可预测”。物理学是科学的一个重要分支，是发展最久、最系统完善的一门学科，它是由定律、实验、数学和逻辑思维等一起搭建起来的牢固体系。要想了解物理学的未来，就要先知道它的过去和现在。所以我们先蜻蜓点水，大致回顾下物理学的演化过程。· 古典物理学古典物理学古希腊：古典宇宙观是从神话发展来的。亚里士多德：古典自然哲学之集大成者。托勒密：地心说的提出者。哥白尼：日心说。伽利略：天文发现的更新者，从古典物理学到经典物理学承上启下的一个人物。开普勒：行星运转规律，被称为行星立法者。古典物理学的研究方式是“观察+思辨”。· 经典物理学经典物理学3大支柱：经典力学，代表是牛顿三大运动定律（惯性、加速度和作用力与反作用力）经典电磁学，著名的麦克斯韦方程组（电荷、静电、电场、磁场等概念）经典热力学，包括温度相同的第零定律、热量传递的第一定律，不可逆过程的第二定律和能量守恒定律。经典物理学的研究方法是“实验+思想+数学”。· 现代物理学（20世纪初）两大基石——广义相对论和量子场论量子力学，能量量子化理论：在宏观领域中，一切物理量的变化都可看作连续的，但在微观领域中的离子，所带电荷只有一个或几个e，那么，一个一个电子的变化就不能看作是连续的了。量子场论则是在量子力学基础上建立和发展的场论，即把量子力学原理应用于场，把场看作无穷维自由度的力学系统实现其量子化而建立的理论。量子场论中，粒子就是场的量子激发，每一种粒子都有自己相应的场。广义相对论(General Relativity) 描写物质间引力相互作用的理论。· 宇宙中存在着四种基本力分别是引力、电磁力、以及只在微观世界里才出现的强作用力和弱作用力。左上：引力（Gravity） 右上：电磁力 （Electromagnetism）左下：强作用力 （Strong） 右下：弱作用力（Weak）引力是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势，广义相对论认为万有引力是由于时空弯曲而产生，具有质量的物体周围的空间是弯曲的。根据数学定理，两点之间线段最短，然而，在被弯曲的四维时空里，短程线也被弯曲了。因此受到引力作用，行星沿短程线向太阳靠近，从而周而复始的绕太阳按椭圆轨道公转。电磁力是在带电荷的粒子之间引起的力。电场与磁场都是电荷产生的，其大小和方向都与距离电荷的远近有关，也都与电荷的大小有关，所不同的是，磁场还与电荷的运动速度有关。两电子之间的电磁（库仑）斥力，比两者间的引力还要大10^40倍。因此，当我们探讨属于原子或规模更小的尺度时，则几乎可以完全忽略引力的影响。强力是短程力，在原子核的尺度内强力比库仑力大得多，核子（是质子、反质子、中子与反中子的总称，是组成原子核的粒子。它们由夸克和胶子组成）间的距离大于2×10^-15m时，强力很快下降消失，核子间的距离在1×10^-15m~2×10^-15m之间，核力表现为吸引力，小于1×10^-15m又表现为斥力，且随距离的减小斥力迅速增大。强力对维持稳定的原子核有重大的作用。这是一颗质子，里面的白色波浪线是胶子，u是上夸克，d是下夸克。胶子是传递夸克(Quark)之间强相互作用的粒子（规范玻色子）。夸克（英语：quark，又译“层子”）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。弱力是由玻色子的发射（或吸收）所造成的，所以它是一种非接触力。这种作用力能使中子衰变成质子、电子与中微子或反电子中微子。·超弦理论量子力学描述的是微观世界（例如原子量级大小的物质）的现象和规律，在量子力学中的万有引力小到完全可以忽略，而广义相对论涉及到宏观大尺度的物体运动包括了空间的扭曲产生了“引力”这种现象。当科学家讨论到宇宙大爆炸的时候（宇宙大爆炸的奇点和爆炸的瞬间），这一现象既属于微观尺度又属于宏观尺度，量子力学和广义相对论的矛盾就出现了，两者把物理定律搞的一团糟，开始有点自相矛盾。这个时候超弦理论就登场了，它试图统一量子力学和广义相对论的矛盾，也试图将世间万物的存在都统一到“弦”上，当然这根弦不是我们能够观察到的，超弦理论认为组成我们世界的物质包括原子，电子，夸克等都不是由实体物质构成的，而是由万物的基本单位“弦”的振动所构成，弦的不同振动方式会形成不同的粒子。假设弦以A方式振动那么会出现上夸克，以B方式振动会出现下夸克，以C方式振动会出现光子等。弦的振动产生了微观粒子，微观粒子又构成了世界，并且弦的振动是一种能量到实体物质的转化，我们无法捕捉到弦，就像我们无法实际捕捉到“能量”。在超弦理论中，万物的本质只是振动的能量而已。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，能量与物质是可以转化的，故弦理论并非证明物质不存在。弦理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。超弦理论认为宇宙是由五种弦组成，三种闭弦，两种开弦。弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。弦理论的数学方程要求空间是9维的，再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明，由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向，因此理论的最大维数是11维。 最近的一些发展还提出了我们也许生活在低维的膜上面，但是引力仍然是10维的。· 多维时空这种复杂的多维理论，我们可以换种简单方式去理解。无论是宏观物质还是微观物质都遵守同样的宇宙规律，宏观世界和微观世界是非常相似的，微观世界不断放大也非常像一个小宇宙。所以，我们借用更直观的宇宙，来理解所谓的多维时空。我们站在地球上观察月球的运动，月球是做圆周运动；我们站在太阳上来观察，地球做的是圆周运动，月球做的是弹簧圆周运动；如下图：如果我们站在银河中心来看，太阳做的是圆周运动，地球做的是弹簧式圆周运动，运动模式如在太阳上看月球的运动模式；如果我们站在宇宙中心来看，银河中心的黑洞做的是圆周运动，太阳做的是弹簧式圆周运动，此时的地球成了下图中的绿色运动轨迹，而月球成了下图中的红色运动轨迹。如果把宇宙缩小到原子大小，我们看到的宏观天体运动就是微观弦振动，黑洞和中子星的运动就成了两种开弦振动，太阳、地球和月球的运动就成了闭弦运动。那十维空间又是怎么来的？站在地球上看月球，月球是圆周运动，即二维运动；站在太阳上看月球，月球做的是弹簧圆周运动，即三维运动；站在银河中心看月球，月球的弹簧圆周运动里还包含有一个地月系的弹簧圆周运动，即六维运动，站在宇宙中心看月球，月球的弹簧圆周运动包含两层弹簧圆周运动，即九维运动，再加一维时间，十维就是这么来的。（已经够抽象的，所以至于M理论的十一维就不深入在探讨了）当然这是我们为了形象的理解“多维空间”，并不是证明多维空间的存在，其实所有运动还是在三维里进行，只是为了方便公式描述，超弦理论才用十维时空这个概念而已。3、微言大义总之呢，超弦理论认为，世界上其实并不存在粒子，只有弦在空间运动，各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用，所有的物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来解释。弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。能量和质量像一枚硬币的两面，是同一事物的不同表现：大能量意味着大质量，小能量意味着小质量。每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成，而所有的弦都是相同的。在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性，其实粒子的波动性就是由弦的振动产生的。弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样，一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。弦本身很简单，只是一根极微小的线，弦可以闭合成圈（闭弦），也可以打开像头发（开弦）。一根弦还能分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦（合成）。万物的统一，都在这一根弦上。不过话说回来，超弦理论也只是一种更大的理论框架，真的假的不重要，重要的是它能自圆其说。今天主要目的是梳理下这些常识。明天分享《毅力不管用》领读者：未来战士内容参考：· 物理学中最基本的四种作用力http://www.360doc.com/content/18/0909/09/11935121_785083213.shtml· 物理学思维 https://www.sohu.com/a/331579505_610938· 三分钟看懂“超弦理论”，万物的本质只是振动的能量而已https://baijiahao.baidu.com/s?id=1586048338192740512&wfr=spider&for=pc· 简单破解超弦理论https://baijiahao.baidu.com/s?id=1620090007535928399&wfr=spider&for=pc· 超弦理论_百度百科https://baike.baidu.com/item/%E8%B6%85%E5%BC%A6%E7%90%86%E8%AE%BA 编辑于 2020-04-28 22:19超弦理论理论物理量子物理赞同 4813 条评论分享喜欢收藏申请
弦理论 - 维基百科，自由的百科全书
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序言
1发展历史
2发展
开关发展子章节
2.1玻色弦理论
2.2开弦
2.3闭弦
2.4超弦理论
2.5弦理论与大统一理论
2.6额外维
2.7D-膜
3物理或是哲学
4问题与争论
5参见
6资料来源
7参考出处
8外部链接
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提示：此条目页的主题不是超弦理论。
物质放大呈现不同阶段，终结于弦阶段： ①物质 ②分子结构（原子） ③原子（质子、中子、电子） ④电子 ⑤夸克 ⑥弦
超越标准模型的物理学由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。
标准模型
存在证据
级列问题（英语：Hierarchy problem）
暗物质
暗能量
五大元素
幻能量
暗辐射（英语：Dark radiation）
暗光子（英语：Dark photon）
宇宙学常数问题
强CP问题
中微子振荡
理论探索
彩色理论（英语：Technicolor (physics)）
卡鲁扎-克莱因理论
大统一理论
万有理论
弦理论
因果费米子系（英语：Causal fermion system）
超流真空理论（英语：Superfluid vacuum theory）
超对称
最简超对称标准模型（英语：Minimal Supersymmetric Standard Model）
超弦理论
超引力
量子引力
弦理论
循环量子引力
因果三角剖分（英语：Causal dynamical triangulation）
因果费米子系（英语：Causal fermion system）
因果集（英语：Causal sets）
正则量子引力理论（英语：Canonical quantum gravity）
超流真空理论（英语：Superfluid vacuum theory）
实验验证
ANNIE（英语：ANNIE）
格兰萨索（英语：Laboratori Nazionali del Gran Sasso）
INO（英语：India-based Neutrino Observatory）
LHC
SNO
Super-K
Tevatron
NOνA（英语：NOνA）
查论编
弦理论（英语：String theory），又称弦论，是发展中理论物理学的起始，是一在量子力学及相对论、微积分等相对发展完善后，试图透过单一解释的系统统一物质和基本作用力的万有理论。
弦理论雏形奠基于二十世纪中叶后半由加布里埃莱·韦内齐亚诺主张并提出，原始目的是找到诠释强相互作用力之数学函数，但据此数学函数南部阳一郎博士发现可将不具空间之零维点粒子视为细小的弦，进而提出强子弦模型。弦论在一段时间不备受关注，除其复杂的高维度诠释外，量子色动力学等场论早已能完美解释强相互作用力。而后弦论被少数科学家发现其解释若套用到重力则可以完美解释关于重力无法纳入大统一理论中的窘境，史称第一次弦论革命，而后第二次弦论革命解决对偶性问题，正式与标准模型（2012年7月4日，CERN LHC CMS&ATLAS 向量玻色子散射实验双盲共同发表成果发掘出的标准模型希格斯玻色子使其成为下述三大万物理论最具权威性的理论)及环圈量子引力场论并肩成为大统一理论备受瞩目的可能性选项，其严谨幻妙的数学式、不需重整化的构思及对称性让许多物理学家徜徉于其中。
弦理论用一段段“能量弦线”作最基本单位以说明宇宙里所有微观粒子如电子、夸克、中微子都由这一维的“能量线”所组成；换而言之，弦论主张“弦”以不同的振动模式对应到自然界的各种基本粒子。
较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由零维的点粒子所组成，也是目前广为接受的物理模型，也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题，但是此理论所根据的粒子模型却遇到一些无法解释的问题。比较起来，弦理论的基础是波动模型，因此能够避开前一种理论所遇到的问题。更深的弦理论学说不只是描述弦状物体，还包含了点状、薄膜状物体，更高维度的空间，甚至平行宇宙。弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测。
发展历史[编辑]
弦理论的雏形是在1968年由加布里埃莱·韦内齐亚诺提出。有说法称，他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学函数，然后在一本老旧的数学书里找到了有200年历史的欧拉贝塔函数，这函数能够描述他所要求解的强作用力。但根据维内奇诺本人的说法，这个函数是他多年努力的结果，而那些“偶然发现”以及“从数学书中发现”的传言令他本人很不高兴。
不久后李奥纳特·萨斯坎德发现，这函数可理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”，这在日后则发展成“弦理论”。目前弦论学家普遍认为强子散射振幅公式是弦论的开端，此一公式即来自于Γ函数与B函数，描述两个强子一开始是两条弦，然后融合成一条，再分裂出两条。在这些弦扫过的区域称为世界面，可以用量子力学算这整个过程的概率振幅。
另外，同在CERN工作的铃木真彦（Mahiko Suzuki）几乎同时而又独立地查阅相关资料，并且也发现了贝塔函数，当他将该消息告诉CERN的一位资深物理学家后，得到的回应却是：“另一个年轻物理学家（即韦内齐亚诺）已经在几个星期前发现了相同的函数。”并劝铃木不要发表他的结果。[1]
弦论除了可以解释强作用力，也能消除点粒子的无穷大问题。由于粒子的相互作用可以用费曼图描述，然而粒子的相互作用点却等同于奇点，换句话说，它会引起无穷大的问题。虽然量子场论中的重整化理论可以解决无穷大，然而在量子的微观尺度，却是充满随机的量子涨落，结构层次的改变将使得重整化无法适用。这是因为广义相对论中传递重力的介质可以视为整体时空，当时空背景为量子尺度时，结构将会不稳定，且若将量子力学的计算方式强行套用在广义相对论则会产生限制。因此，若用弦来描述粒子相互作用的费曼图，基本上不会产生奇点，这是由于弦的运动轨迹是世界面。故弦论为量子引力的候选者，有望完成物理界所追求的万有理论。
虽然弦理论最开始是要解出强作用力的作用模式，但是后来的研究则发现了所有的粒子（含反粒子），如正反夸克，正反电子（电子、正电子），正反中微子等等，以及四种基本作用力粒子（胶子、中间玻色子、光子、引力子），都能用类似方法表示成一小段的不停振动的能量弦线，而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线的长度、振动参数和形状的不同而已。
发展[编辑]
玻色弦理论[编辑]
最早期的弦论叫做玻色弦理论，南部阳一郎给予最早的作用量[2]，但是该作用量在场论的框架内难以量子化。此后亚历山大·泊里雅科夫给予一个等效的作用量，其几何含义是把时空坐标视为一个世界面的标量场，并且在世界面上满足广义相对论的一般坐标变换规则。除此之外，如果要求这个作用量同时满足在外尔变换下不变，那么自然的会要求这个世界面是一个二维的曲面。
玻色弦理论是最简单的一个弦论的模型，它最重要的物理图像是认为物理粒子不是单纯的点粒子，而是由于弦的振动产生的激发态。显然它有很大的缺点，其一是它只简单描述标量玻色子，没有将费米子引入框架内；其二没有包含一般量子场论中的规范对称性；其三是当研究它的质量谱时候发现，它的真空态是一组质量平方小于零的不稳定快子。所有这些问题在推广到超弦理论后得到很好的解释。
开弦[编辑]
1995年，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基发现弦理论一个相当晦涩的特点。他发现开放的弦的端点（开弦）在陷在某些特别的时空区域时无法完全自由地移动。波尔钦斯基随后猜测这些特殊的空间正是被P膜所占据。这些“黏性”的膜就叫做狄利克雷-P-膜，或者D-P-膜。他的计算表明D-P-膜正是对弦端点施加的力的来源，目的是将其限制于其所存在的P维空间内。
闭弦[编辑]
但不是所有的弦都属于P-膜。闭弦类似于引力子，可以随意在膜间移动。在四种力（强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用和引力相互作用）的粒子中，引力子因此很特别。研究人员推测这或许就是为什么对其他三种力的研究都没有办法找到高维空间的存在。这三种力的媒介粒子就是将它们自己限制在P膜里的开弦。现阶段所需要做的就是对引力子进行更详实的研究来证明其他维度的空间的存在。
超弦理论[编辑]
另外，“弦理论”这一用词所指的原本包含26维的玻色弦理论，和加入超对称性的超弦理论。在近日的物理界，“弦理论” 一般是专指“超弦理论”，为了方便区分，较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。
1990年代，受对偶性的启发，爱德华·维顿造了个11维的M理论，把5种版本的10维超弦理论与11维超重力论推演成M理论的6个形。这些发现带动了第二次超弦革命有数百篇论文出现。
弦理论与大统一理论[编辑]
弦理论会吸引这么多注意，大部分的原因是因为它很有可能会成为大统一理论。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一，含有量很大。除了引力之外，它很自然的成功描述各式作用力，包含电磁力和自然界存在的其他各种作用力。超弦理论还包含组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙，这还是未知数。至今研究员仍未能找到一个弦论模型，其低能极限为标准模型。
额外维[编辑]
额外维是相对于“四维时空”而提出的一个概念，一般泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维度。
爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的“四维时空”。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空上再添加一个空间维，也就是添加一个第五维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方程可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。至此，理论中存在额外添加的维度统称为“额外维”。超弦理论中是一维时间十维空间或十一维空间。
D-膜[编辑]
由于超弦理论的时空维数为10维，所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时，可以发现所谓的T对偶；而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的，并且满足狄利克雷边界条件。所以这些超曲面一般被称为“D膜”。
研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”（M理论），是为“M”字来源之一。
物理或是哲学[编辑]
未解决的物理学问题：是否存在一个精确描述宇宙中万物的弦理论真空？它是否能以低能量数据一一地确定？
在未获实验证实之前，不能完全算是物理学。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对称粒子。但是就算是超粒子真的找到了，这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据，因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已，不过这至少表示研究方向还不是错误的。
问题与争论[编辑]
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。[3]一些科学家希望借助欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，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（弦理论预测约1034 焦耳的能量可以打开所有维度）来直接探查。[4]此外，弦理论虽然被部分物理学家认同，但它拥有非常多的等可能性的解决方案。[5]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。[6][7][8][9]
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。为了看清微粒中弦的本性所需要的能量级，要比目前实验可达到的高出许多。弦理论具有很多在数学上很有意思的特征（features of mathematical interest）并自然地包含了标准模型的大多数特性，比如非阿贝尔群与手征性费米子（chiral fermions）。因为弦理论在可预知的未来可能难以被实验证明，一些科学家[10] 问，弦理论甚至是否应该被叫做一个科学理论。它现在还不能在波普尔的哲学含义中被证伪。但这也暗示了弦理论更多地被看做建设模型的框架。在同样的形式中，量子场论是一个框架。[11]
弦理论的思想为物理学带来了一个建议上超越标准模型的巨大影响。例如，虽然超对称性是组成弦理论的重要一部分，但是那些与弦理论没有明显联系的超对称模型，科学家们也有研究。因此，如果超对称性在大型强子对撞机中被侦测到，它不会被看做弦理论的一个直接证明。然而，如果超对称性未被侦测出，由于弦理论中存在只有以更加更加高的能量才能看出超对称性的真空，所以它的缺乏不会证明弦理论是错误的。相反，如果日食期间观测到太阳的引力未使光按预测的角度偏转，那么爱因斯坦的广义相对论将被证明是错误的。实验证明了广义相对论的正确性。
在更数学的层次上，另一个问题是，如同很多量子场论，弦理论的很大一部分仍然是微扰地（perturbatively）用公式表达的（即为对连续的逼近，而非一个精确的解）。虽然非微扰技术有相当大的进步——包括猜测时空中满足某些渐进性的完整定义—— 仍然缺乏一个非微扰且充分的理论定义。
物理学中，弦理论有关应用的一个中心问题是，弦理论最好的理解背景保存着大部分从“时不变的时空”得出的超对称性潜在理论：目前，弦理论无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题。
前面提到的两点涉及一个更深奥的问题：在弦理论目前的构想中，由于弦理论对背景的依赖——它描述的是关于固定时空背景的微扰膨胀，它可能不是真正基础的。一些人把背景独立（background independence）看做对于一个量子引力理论的基础要求；自从广义相对论已经是背景独立的以来，尤其如此。
参见[编辑]
超弦理论
对偶性 (弦论)
弦场论
M理论
资料来源[编辑]
^ 加来道雄. 《超越时空》. 上海世纪出版集团. 2009. ISBN 978-7-5428-4804-8 （中文（中国大陆））.
^ Y. Nambu, Lecture at the Copenhagen summer symposium (1970).
^ M. R. Douglas,Are There Testable Predictions of String Theory? February 2007 Texas A&M
^ 见e.g. E. Kiritsis, String theory in a nutshell. Introduction to Modern String theory, Princeton University Press, Princeton, N.Y. (2007)
^ S. Kachru, R. Kallosh, A. Linde and S. P. Trivedi, de Sitter Vacua in String Theory （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Phys.Rev.D68:046005,2003
^ Peter Woit's Not Even Wrong weblog. [2008-08-06]. （原始内容存档于2012-11-05）.
^ P. Woit (Columbia University) String theory: An Evaluation （页面存档备份，存于互联网档案馆）,February 2001, e-Print: physics/0102051
^ P. Woit, Is String Theory Testable? （页面存档备份，存于互联网档案馆） INFN Rome March 2007
^ Lee Smolin's The Trouble With Physics webpage. [2021-09-30]. （原始内容存档于2019-09-18）.
^ Prominent critics include Philip Anderson ("string theory is the first science in hundreds of years to be pursued in pre-Baconian fashion, without any adequate experimental guidance", New York Times, 4 January 2005), Sheldon Glashow ("there ain't no experiment that could be done nor is there any observation that could be made that would say, `You guys are wrong.' The theory is safe, permanently safe", NOVA interview （页面存档备份，存于互联网档案馆）), Lawrence Krauss ("String theory [is] yet to have any real successes in explaining or predicting anything measurable", New York Times, 8 November 2005), Peter Woit (see his blog （页面存档备份，存于互联网档案馆）, article （页面存档备份，存于互联网档案馆） and book "Not Even Wrong", ISBN 978-0-224-07605-0) and Carlo Rovelli (see his Dialog on Quantum Gravity （页面存档备份，存于互联网档案馆）)
^ David Gross, Perspectives （页面存档备份，存于互联网档案馆）, String Theory: Achievements and Perspectives - A conference
参考出处[编辑]
Greene, Brian. The Elegant Universe（台湾中文译本《优雅的宇宙》或大陆中文译本《宇宙的琴弦》）. W.W. Norton and Co. New York,NY. c1999. ISBN 978-0-375-70811-4
Witten, E. , <
Hull, C. - Townsend, P , <
Smolin Lee.
外部链接[编辑]
The Elegant Universe Online （页面存档备份，存于互联网档案馆） (含3小时的影片)
弦论景观 （1,2,3/4）
查论编弦理论基本对象
弦
膜
D膜
S膜（英语：S-brane）
NS5膜
M2膜
M5膜
黑膜（英语：Black brane）
背景理论
南部-后藤作用量
泊里雅科夫作用量
陈-西蒙斯理论
共形场论
量子引力
卡鲁扎-克莱因理论
全息原理
万有理论
杨-米尔斯理论
微扰弦理论
玻色弦理论
超弦理论
第一型弦理论
第二型弦理论（第二A型 · 第二B型）
混合弦理论（SO(32)杂弦 · E8xE8杂弦）
弦拓扑
扭量弦理论（英语：Twistor string theory）
非微扰结果
弦场论
弦论对偶性
S对偶
T对偶
U对偶
镜像对称性
M理论（入门）
AdS/CFT对偶
现象学
弦唯象学
弦宇宙学
弦论地景
膜宇宙学
数学方法
陈–怕吞因素
摄动理论
巴塔林-维尔可维斯基代数
格尔斯滕哈勃代数
顶点算子代数
维拉宿代数
卡茨-穆迪代数
1/N展开
几何
RNS体系（英语：RNS formalism）
GS体系（英语：GS formalism）
GSO映射（英语：GSO projection）
卡拉比-丘流形
K3曲面
G2流形（英语：G2 manifold）
紧化
轨形（英语：orbifold）
定向形（英语：orientifold）
锥形(弦论)（英语：conifold）
塞伯格-威滕理论
塞伯格-威滕不变量
塞伯格-威滕映射
快子凝聚
微扰反常
O(N)模型
非线性σ模型
规范场论
陈-西蒙斯形式
杨-米尔斯理论
Wess-Zumino-Witten模型
纽结理论
瞬子
BRST量子化
BPS态
磁单极子
超对称
超引力
超空间
李超群（英语：Lie Supergroup）
超对称杨-米尔斯理论
理论家
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迈克尔·阿蒂亚
汤姆·班克斯
陈省身
戴克赫拉夫
朵夫（英语：Michael_Duff_(physicist)）
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盖兹（英语：Sylvester_James_Gates）
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迈克尔·格林 (物理学家)
布莱恩·葛林
戴维·格娄斯
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哈维（英语：Jeffrey A. Harvey）
霍扎瓦（英语：Petr_Hořava_(physicist)）
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加来道雄
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皮埃尔·拉蒙
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标量-张量理论（英语：Scalar–tensor theory）（布兰斯-迪克理论（英语：Brans–Dicke theory））
怀海德重力理论（英语：Whitehead's theory of gravitation）
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张量-向量-标量重力（英语：Tensor–vector–scalar gravity）
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正则量子引力（英语：Canonical quantum gravity）（惠勒-德维特方程 · 循环量子引力 · 自旋泡沫）
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量子统一场论
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怎样学习弦论，或 M 理论？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册物理学超弦理论怎样学习弦论，或 M 理论？关注者615被浏览234,214关注问题写回答邀请回答好问题 102 条评论分享17 个回答默认排序激动的鳄鱼牛津大学 数学物理与理论物理硕士 关注我不知道题主是想严肃的学习弦理论，使得自己可以达到能够做研究的程度，还是只是想在超出科普范围的情况下适当了解。如果是前者，那么你只能去读PhD了，确保本科和研究生无论是读数学还是物理，选修如广义相对论，量子场论，超对称，共形场论，李群李代数，微分几何，代数几何，代数拓扑等等这类的基础课程。如果是后者，其实并没有那么麻烦。我本科和研究生的时候也只是抱着想了解一下的态度选的弦论课，并没有想以后去做这方面的研究，其实一门完整的弦论入门课程，并不需要太高深的几何和拓扑知识（只是可能感官上不够自洽，因为很多几何结论它只能直接告诉你，没有推导，但大体不影响你了解），有一个物理背景的学生所具有的变分法，线代，复分析的知识，加上广相和量子场论，就可以把入门课程听下来，当然你想去做研究这些是远远不够的。我上过三门弦论的课，都属于这种数学性不太强的入门课程。一门是用old covariant quantization讲波色弦，一门用path integral 和BRST讲波色弦，一门讲超弦。Old covariant主要是Green， Schwarz，Witten讲的比较详细，path integral和BRST看Polchinski好一些。不过我个人觉得这两本书初学者入门的时候看还是有些别扭，也不是说多难，而是很多地方跳步太多，一些简单的topic还好，像string mass spectrum，基础的CFT，Kaluza-Klein reduction和tree-level的scattering， 但难度大一些的地方，跳步就特别多，不是很方便理解。如果想从头到尾看一本书去了解弦论的话，我推荐Blumenhagen, Lust, Theisen。这本书相对而言没有那么多假设你什么都知道，和作者一样聪明的跳步，涉及到的数学知识也做了足够详细而且对物理背景的人来说相对易懂的注解，特别是超弦这部分的入门，我感觉比其他书解释得更清楚些。编辑于 2019-06-24 09:52赞同 503 条评论分享收藏喜欢收起加刘景长动画话题下的优秀答主 关注要学弦论这样的理论，还是出国吧。它所受到的关注，在中国可能还是处于一个新奇的名词。即便是正统的理论物理学家，也对这门学科知之甚少。就我所了解的国外情形对比国内而言，中国国内普通民众对于弦理论的了解远远比不上美国那些发达国家的民众（指受过大学训练的）。作为物理根源的终极理论，爱因斯坦一直梦寐以求的统一场论，这门学科需要的数学和物理知识令即便物理系高材生也望而生畏，而传统的理论物理学家，比如粒子物理，场论，凝聚态物理学家们更不愿意去相信这样一个数学的怪物。这使得国内即便在研究人员内部也有相当多的反对弦论者。但是，相比于物理领域，数学领域对于弦理论这样的新生事物是相当欢迎的。所以很多中国的弦论学者最后不得不选择数学系作为栖身之地。当然，这种情况其实也是因为国内没有深具号召力的弦论学家而导致的。一些弦论学家最终放弃弦论转投其他领域，比如李淼，章人杰等人。但是，很遗憾，正如 @DaveYang 回答所提到的中国做弦论的超少。国内的现状是：弦理论基本上是萎缩的，而且越来越多的年轻人不愿意去学习研究弦论。这其实是很值得担忧的。因为其实弦理论的根本是非微扰场论，共形场论，代数几何的物理应用。如果没人关注弦论，意味着这些理论知识的缺失，这将导致学者思想上的僵化，理论上的创新停滞。国家对于这方面的投入基本为零，科研基金也基本不会考虑弦论学家。这实在是很无奈的事情。因为把持着科研基金的大佬们基本不会是弦论学家。他们也基本不认为弦论是物理学的一部分，所以拒绝弦论学者的申请是很自然的。所以如果要学弦论这样的理论，还是出国吧。等在领域上足够站的住脚，再回国改变现状也不迟。（出国拿了博士直接回来是没有用的，你没有话语权。） 回到问题上来，网易有个比较基础的课程大家可以看下。斯坦福大学费利克斯·布洛赫(Leonard Susskind)物理学教授，理论物理学主任授课。http://v.163.com/special/opencourse/stringtheory.htmlNOVA纪录片《优雅的宇宙 The Elegant Universe》 (2003) 关于广义相对论、量子力学、弦理论的纪录片。基础科普类《宇宙的琴弦 The Elegant Universe》（2004）作者：布赖恩·格林【推荐阅读】只是想了解学习大概什么是M理论的看上面几个就行了。要更加透彻深入了解的话：《超弦/M理论导论》（2006）作者: 卢建新,朱栋培 《广义相对论;量子引力;弦论和M-理论 General Relativity; Quantum Gravity; String Theory and M-theory》（2008）作者: 费朗克斯 (法国 Jean-Pierre Francoise) 《弦论和M理论导论 String Theory and M-Theory》（2011）作者: Katrin Becker《弦理论 String Theory》（1998） 作者：Joseph Polchinski《Supersymmetry and String Theory, Beyond the Standard Model 》（2007）作者：美国约翰霍普金斯大学学士 Michael Dine教授《超弦和M理论导论》（2010）作者是纽约城市大学研究生中心的理论物理学教授加来道雄(MichioKaku)博士，美籍日裔人，他也是超弦理论的奠基人。这本阅读门槛有一定的难度，需要量子力学和相对论的基础知识。比较全面细致地讲解超弦理论和该领域的新研究进展，包括四维超弦，Kac-Moody代数，Teichmuller空间和Calabi-Yau流形，M理论和D膜，对偶和BPS关系，矩阵模型等，可以作为研究生教材，同时对研究人员也有参考价值。下面内容为补充回答，知乎上关于这块的详细资料几乎没有，所以稍微填补下。很多弦论书的开始就介绍QCD弦和雷吉斜率。这实际上在赤裸裸的打自己的脸，因为实际上的事实是这样的：上世纪60年代后期，加速器上发现了N多的共振态，据说一年发现了100多个！这要搁60年代以前，一个共振态就可以拿个诺奖！这些共振态的散射振幅（或散射截面）满足一个经验的公式。而好运的Veneziano （当时是研究生）偶然发现强子散射的经验公式和一个数学公式几乎一模一样，他自己压根不知道为啥会这样。后来舍尔克还有一个日本人写文章说，Veneziano函数可以表征为弦的散射振幅。后来一帮人蜂拥而上做弦论。盖尔曼一篇paper把这帮人全部腰斩，他提出了QCD理论，一举解决了共振态和散射振幅的问题。所以QCD-弦刚出生就被盖尔曼扼杀了。这应该是弦论的不光彩的岁月，不知道为何弦论的书籍大部分还在第一章写这段，难道是为了舔伤口，或者卧薪尝胆？在此之后，实际上只有几个人在坚持做弦论，他们是：施瓦兹，格林，舍尔克。基本上这时候弦论是死掉的理论。但是，施瓦兹等人的坚持是有意义的。（那时候大部分人认为他们在做无用功）1980年左右，施瓦兹结合超对称提出了超引力理论，而这个超引力理论是弦理论的低能有效近似！这是里程碑式的进展，弦理论首次作为量子引力理论而登上舞台。而且超引力有些性质是非常美妙的。比如，普通引力的直接量子化被证明是发散的。（纯引力在一阶有限，但在二阶是二次发散的，更高阶的发散更厉害，因此是不可重整的）但是超引力却不一样，它一直到8圈都是有限的。（那个背着巨大画板，算到8圈的MIT牛人，佩服！）更高的圈结果也强烈暗示它是有限的。当然一个严格证明超引力可重整性仍然是个Open problem。Witten和Alvarez-Gaume证明了十维超引力（闭弦）和规范（开弦）的反常会互相抵消！这表明引力的非微扰效应和规范的非微扰效应是可以相消的。这强烈暗示，一个同时具有开弦和闭弦的一般弦论，其低能有效理论是可重整化的！而且如果上升到弦理论中去，重整化变得无关紧要，弦的相互作用自然而然去除了点相互作用的发散。从这方面讲，弦理论是非常自洽完美的理论。由此引出了弦理论的第一次大革命，在这次大革命中，超对称弦理论显示出它作为统一四种相互作用力的理论的优美和自洽性。第二次大革命弦论的第一次大革命在5种超弦理论的争吵声中尘埃落定，这五种超弦是：I型，IIA型，IIB型，杂化I型（SO（32）），杂化II型（E6 * E6）。弦论学家们发现了这几种自洽的弦理论，但谁也无法说明这五种弦理论哪一种是正确的。因此，大争论开始了！结果是，谁也不服谁。超弦理论又一次走进了死胡同：如果不能证明哪一种弦理论是正确的，理论是无法继续向前发展的。这次的沉寂时间并不太长，只有10年左右的时间。1994年，Witten证明，五种超弦彼此是对偶的！它们只是一个母（Mother）理论的五种不同的极限理论。这个母理论就是后来所谓的M-理论。而对偶性作为一种全新的理论框架纳入了人们的视野。这可以说是弦理论发展以来，最引人注目的进展。虽然Witten的对偶性证明是无比重要的一件事，不可忽略的是，Strominger（中文说的很溜）也做出了巨大的贡献。他首先证明极端黑洞的微观态的配分函数可以用弦理论来计算。随后，Polchinski（弦论教科书的作者）提出了D膜的思想以及对偶性用D膜的表达。几乎同时，Strominger Vafa等人证明D膜等价于极端黑洞的世界面！这实际上为后来的AdS/cft对应打下了坚实的基础。D膜理论出来后，很多全新的领域都被发展出来，比如D膜的交叉，Flux紧致化，D膜动力学等等。随后的弦论的主要研究课题就集中在D膜。1997年，Maldecena提出了著名的AdS/CFT对偶，这是一个划时代的理论（引用现超过8000次）。它第一次揭示了引力理论可能可以和一个边界的场论对偶。实际上，弦论中的表述非常简单：就是一个开弦闭弦对偶。近年来，这个对偶性被应用到各个领域，比如重离子碰撞，超导，流体力学，甚至是分数霍尔效应。但是，除了重离子碰撞中的剪切粘滞系数是一个重大的发现（已被验证）。其余的基本上都是YY或者纯粹扯淡。在这一期间（90年代），还有另外一个理论是值得注意的。它虽然归属于弦理论，但实际上是纯粹场论。这就是Seiberg-Witten对偶性。 Seiberg-Witten理论是一个异常精致的理论。它说的是一个超对称N=2的Yang-Mills理论（后来被推广到一般的规范+物质理论），其场论的Wilsonian有效作用量（积掉重场）对应的电理论(耦合常数g)，等价于耦合常数为（1/g）的磁理论。这种对偶性就是量子的电磁对偶。之所以会发生这样的对偶性，是因为理论的真空中（称为模空间）存在奇点，这些奇点处有一些重场变成了轻场（把本不应该积掉的轻场积掉，会导致模空间上出现起点。）这些重场就是磁单极子对应的场，这表明，在奇点处，磁单极子（超对称对应的标量场）发生了凝聚。这就真实实现了凝聚磁单极子导致磁Misner效应引发色禁闭。这是迄今为止唯一 一个能够理论上导出荷禁闭的理论。 SW对偶的另一个优美的性质就是它是严格强弱对偶的。实际上，对于场论学家而言，我们能够做计算的理论仅仅只有微扰理论(g<1)，而非微扰（g>1）的理论是无法计算的。这是因为Taylor展开的后项贡献比前项高，导致你必须计算无穷多阶的展开。这相当于要算满无穷多个feynman图。而SW理论能够把非微扰的计算对偶到微扰的计算，这就可以同时严格计算场论的微扰和非微扰效应。这当然是场论研究领域的一大重要进展。90年代发展起来的弦论的另一个重要方向是弦的紧致化。为什么要做弦的紧致化呢？原因是我们实际上生活在4维时空，而弦理论的时空是10维。这意味着其他6个维度是非常小的（或者没有）。这方面发展起来的弦理论有：周期紧致化（Kaluza-Klein紧致），通量紧致（flux）（或者更常见的叫Calabi-Yau 紧致化）。但是非常可惜，真正好的能自然回答“为什么标准模型是那样的规范群” 的紧致化方案仍然是未知的。这就导致了一个非常招人厌的假说：人择原理。它实际上是更像是哲学范畴了，有点儿笛卡尔:我思故我在 的意味。关于周期紧致化，近年来很少有人讨论了。但Calabi-Yau 紧致化诱导了弦论中的一个非常有用的分支：拓扑弦的产生和发展。拓扑弦的开端来自于Witten1989年（基本上弦论领域所有重要的贡献都是Witten完成的！！）的著名论文：量子场论和Jones多项式。这篇论文揭示了扭结，多项式和共形场论之间的关系。它说明：一个三维的拓扑场论（Chern-Simons）中的可观测量（拓扑不变量，扭结和套环）可以等价于一个WZW（Wess-Zumino-Witten, 又是Witten！！）模型中的关联函数。随后，1992年Witten证明（仍然是Witten！！）Chern Simons 理论等价于一个弦论，这就是拓扑弦论！进入21世纪的弦理论着重点还是在AdS/cft对应方面。当然，更多的是应用方面的讨论。比如RHIC物理，AdS/CMT, 色超导，引力/流体对应等等等等。关于AdS/CFT对应，有机会我会开一个专题来讨论。纯粹理论方面，拓扑弦的进展令人诧异，它深入到了三维经典统计领域。它发展了一套数学上的拓扑不变量的计算方法。它和二维量子可积系统有深刻的联系。这些都表明，拓扑弦本身很可能会对低维物理的拓扑计算带来革命性的进展。另一个值得注意的进展来自于SW对偶理论的扩展，也就是2009年六月份Alday, Gaiotto, Tachikawa等人发展出来的AGT对偶，这个对偶性深刻揭示了4维共形场论（超对称N=2）的配分函数和二维Liouville场论之间的等价性。而且4维理论的微扰部分对应于二维理论的结构函数（DOZZ factor）， 瞬子部分则对应于二维理论的共形块。 这是个了不起的进展。它一方面说明弦理论的确可以对低维物理产生深远积极的影响。另一方面，这是一个全新的对偶性，跨两个维度的对偶是异常罕见的。而且它暗示了，场论的非微扰贡献（瞬子）很可能可以用二维场论来解析计算。这恰恰和拓扑弦的预言是一致的。后续的对于AGT猜想的文章表明，四维理论（N=2）等价于在其模空间上(二维)的可积系统！！而这些东西，在弦论的研究之初，是完全不能预料的。弦理论作为一个统一理论，的确有其局限性（实际上，我本人一点也不相信这一点，也不希望后来的国内的年轻人以此为理由研究弦论，正相反，我痛恨鼓吹这一点的同行们）。但它的数学的优美和物理的深刻让人敬畏。但这些都不是最重要的。近年来，弦理论作为一个toolbox更让人惊叹。弦理论中发展出来的对偶性是全新的概念，它已经开始在各个领域展露威力。对偶性是一种比对称性更加强大的工具。如果放弃对于弦理论的研究，那么对偶性是不可能得到深刻而广泛的研究的。真正属于二十一世纪的物理学，应该是对偶性主导的物理学。在这个物理学中，场论，非线性物理，可积系统，三维统计，引力等等学科都会融合在一起。对偶性已经在数学上显示出了无与伦比的力量：它联系了数论，代数拓扑，代数几何，范畴论，表示论等等。可以这么说，数学家们依靠对偶性，正在努力使得代数和几何发生融合，统一。弦论中最精华的就是对偶性。其余的比如统一，比如量子引力，都不是具有对于物理学有颠覆性的东西。只有对偶性，才是酝酿着物理学大革命的东西。而可惜的是，中国的某些科学大佬们对于弦理论这样一门蕴含着勃勃生机的学科的态度是打压和蔑视。照此速度下去，中国国内的弦论研究者在几年之内就会丧失殆尽。现在在中科院理论物理研究所，新进的学生学习弦论的基本理论的学生个数为0，北大也为零。做AdS/CFT对应的还有一些，但那个只是弦理论的对偶性的一种，其重要性被夸大了。 几年之后，国内还有弦论学者么？ 难道真要等国外的学者们建立好对偶性物理学的框架，中国才开始重视？参考资料[1]百度贴吧 M理论吧——http://tieba.baidu.com/f?kw=m%E7%90%86%E8%AE%BA哦，附带一提：我是这个吧的副吧主。编辑于 2018-03-11 15:41赞同 87471 条评论分享收藏喜欢
超弦理論 - 維基百科，自由的百科全書
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序言
1理論基礎
2弦理論中的超對稱
3懷疑論
4註釋
5參考文獻
6參閲
7外部連結
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超弦理論
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未解決的物理學問題：請問超弦論、超弦理論或M理論等等類似理論，是否向萬有理論的康莊大道邁上一大步，還是一條死胡同？
超弦理論（英語：Superstring Theory），屬於弦理論的一種，有五個不同的超弦理論。超弦理論旨在探尋一可統一各基本作用力及解釋基本物質的理論，透過嚴謹的數學框架來定義和賦予物質質量、解釋萬物運行規則。也指狹義的弦理論。是一種引進了超對稱的弦論，其中指物質的基石為至少九維時空中的弦。
理論基礎[編輯]
十一維時空（十維空間加一維時間）
為了將玻色子和費米子統一，科學家預言了這種粒子，由於實驗條件的限制，人們很難找到這種能夠證明弦理論的粒子。超弦理論作為最為艱深的理論之一，吸引著很多理論研究者對它進行研究，是萬有理論的候選者之一(指小至可來解釋我們所知的一切作用力，大至於解釋宇宙所有物理奧秘的全面性理論)。
超弦理論將次原子粒子都被視為受激而振動的多維迴圈（開頭所提的10維空間）。
超弦理論與傳統的量子力學一樣，將不確定性視為真正的隨機。
以膜理論解釋弦與三維空間和多維度空間的關係。
弦理論中的超對稱[編輯]
弦論的對偶性：黃色箭頭為S對偶，藍色箭頭為T對偶，而IIA型弦與E型雜弦則亦可與M理論有對偶聯繫（此對偶又可稱之為U對偶）
弦理論是我們知道的唯一能融合廣義相對論和量子力學的方式，但只有超對稱的弦理論才能避免迅子問題，才能包括費米子振動模式從而才能說明組成我們世界的物質粒子。為了實現重力的量子力學，也為了一切力和物質的大統一，超對稱性與弦理論手拉手地走來了。假如弦理論是對的，物理學家希望超對稱性也是對的。
主要類型有：
I型弦
IIA型弦
IIB型弦
O型雜弦（SO(32)）
E型雜弦（E8×E8）。
若納入對偶性以及超重力，則可統一出M理論的框架，常見的對偶有T對偶、S對偶、U對偶。
懷疑論[編輯]
1979年諾貝爾獎得主、美國物理學家謝爾登·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）是超弦理論的懷疑者，因為其不能提供實驗可檢驗的預言。他曾經試圖阻止超弦理論家進入哈佛大學物理系，但是哈佛大學還是接受了超弦理論，於是他選擇了離開。[1] 在約十分鐘《弦論這件事》（《優雅的宇宙》第二部分）的採訪中，他認為超弦是一門與物理沒有關係的學科，並且說：「...你可以把它稱為腫瘤...」[2]。
註釋[編輯]
^ Jim Holt, "Unstrung", The New Yorker, October 2, 2006. [2014-07-28]. （原始內容存檔於2011-06-06）.
^ "there ain't no experiment that could be done nor is there any observation that could be made that would say, `You guys are wrong.' The theory is safe, permanently safe." He also said, "Is this a theory of Physics or Philosophy? I ask you" NOVA interview （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）)
參考文獻[編輯]
Kaku, Michio. Introduction to Superstring and M-Theory 2nd edition. New York, USA: Springer-Verlag. 1999. 引文格式1維護：冗餘文本 (link)
Shen, Sinyan. Introduction to Superfluidity 2nd edition. Beijing, China: Science Press. 1982. 引文格式1維護：冗餘文本 (link)
Greene, Brian. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Random House Inc. 2000.
Greene, Brian. The Elegant Universe（台灣中文譯本《優雅的宇宙》或大陸中文譯本《宇宙的琴弦》）. W.W. Norton and Co. New York,NY. c1999. ISBN 978-0-375-70811-4
參閲[編輯]
對偶性 (弦論)
第一型弦理論
第二型弦理論
混合弦理論
超對稱
萬有理論
M理論
F理論
外部連結[編輯]
超弦發展史 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
訪費因曼談超弦論 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
閱論編弦理論基本對象
弦
膜
D膜
S膜（英語：S-brane）
NS5膜
M2膜
M5膜
黑膜（英語：Black brane）
背景理論
南部-後藤作用量
泊里雅科夫作用量
陳-西蒙斯理論
共形場論
量子重力
卡魯扎-克萊因理論
全像原理
萬有理論
楊-米爾斯理論
微擾弦理論
玻色弦理論
超弦理論
第一型弦理論
第二型弦理論（第二A型 · 第二B型）
混合弦理論（SO(32)雜弦 · E8xE8雜弦）
弦拓撲
扭量弦理論（英語：Twistor string theory）
非微擾結果
弦場論
弦論對偶性
S對偶
T對偶
U對偶
鏡像對稱性
M理論（入門）
AdS/CFT對偶
現象學
弦唯象學
弦宇宙學
弦論地景
膜宇宙學
數學方法
陳–怕吞因素
微擾理論
巴塔林-維爾可維斯基代數
格爾斯滕哈伯代數
頂點算子代數
維拉宿代數
卡茨-穆迪代數
1/N展開
幾何
RNS體系（英語：RNS formalism）
GS體系（英語：GS formalism）
GSO映射（英語：GSO projection）
卡拉比-丘流形
K3曲面
G2流形（英語：G2 manifold）
緊化
軌形（英語：orbifold）
定向形（英語：orientifold）
錐形(弦論)（英語：conifold）
塞伯格-維騰理論
塞伯格-維騰不變量
塞伯格-維騰映射
迅子凝聚
微擾反常
O(N)模型
非線性σ模型
規範場論
陳-西蒙斯形式
楊-米爾斯理論
Wess-Zumino-Witten模型
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超對稱
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超對稱楊-米爾斯理論
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黑洞資訊悖論
黑洞熱力學
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重力奇異點
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霍金輻射
半古典重力
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理論方法弦理論
玻色子弦理論
M理論
超重力
超弦理論
正則量子重力（英語：Canonical quantum gravity）
迴圈量子重力
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歐幾里德量子重力（英語：Euclidean quantum gravity）
哈妥-霍金態（英語：Hartle–Hawking state）
其它理論
因果動力學三角剖分（英語：Causal dynamical triangulation）
因果集（英語：Causal sets）
非交換幾何
自旋泡沫
超流體真空理論（英語：Superfluid vacuum theory）
扭量理論
應用領域量子宇宙學
永恆暴脹（英語：Eternal inflation）
平行宇宙
FRW/CFT對偶（英語：FRW/CFT duality）
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=超弦理論&oldid=76311762」
分類：物理學中未解決的問題弦理論超對稱超對稱量子場論超越標準模型的物理學隱藏分類：自2016年11月需補充來源的條目拒絕當選首頁新條目推薦欄目的條目含有英語的條目引文格式1維護：冗餘文本使用ISBN魔術連結的頁面
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