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M理论：所有超弦理论之母
每过10年左右，在弦理论上就会出现一个惊人的突破，在理论物理学界掀起一场轩然大波，使得人们一窝蜂地发表论文和开展各种活动。而这一次，当论文不断涌入美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的计算机公告板及其官方有关超弦论文的信息资源库时，整个国家实验室的网线都热得要燃烧起来了。加州理工学院的约翰?施瓦兹（美国理论物理学家，弦理论的奠基者之一）向世界各地的学术协会宣布“第二次超弦革命”已经到来。普林斯顿高等研究院的爱德华?威滕（美国
著名数学家），则发表了一个历时3小时的引人入胜的演讲，向人们描述“第二次超弦革命”。
这一突破带来的余震甚至撼动了其他学科，如数学领域。普林斯顿高等研究院主任、数学家菲利普?格里菲思说：“我能够感受到该领域的人们所感受到的那种兴奋，以及这股浪潮将给我所专注的数学领域带来的变革……真是十分不得了。我觉得，能够在此生亲自见证这一切，真是我的荣幸。”
哈佛大学的卡姆兰?瓦法教授曾经说：“在这一点上我可能有偏见，但是我认为，这也许是，至少在过去的20年里，不仅在弦理论中，而且在整个理论物理学中，所取得的最重要的进展。”而触发科学家所有兴奋的，是一种被称为“M理论”的理论发现，这一理论可以解释“弦”的起源。在一阵令人眼花缭乱的冲击之下，这一全新的理论解决了一系列自弦理论
诞生伊始就长期困扰人们的谜团。这些谜团始终卡着许多理论物理学家（包括我自己在内！）的喉咙。此外，M理论甚至可能迫使弦理论改变它的名字。虽然M 理论的许多特征都还是未知数，但它似乎并不只是一个纯粹关于“弦”的理论。得克萨斯州农工大学的迈克尔?达夫已经发表了一篇名为“原来被称为‘弦理论’的理论”的演讲。弦理论学家谨慎地指出，这并不能证明该理论的最终正确性，用任何方式都不行。这可能需要我们再努力上几年或者几十年。但是它标志着一个最为重大的突破，而这个突破已经重塑了整个领域。
“狮子”寓言
爱因斯坦曾经说过，“大自然只是给我们亮出了‘狮子’的一条尾巴而已。但我从不怀疑，尽管由于它身躯庞大，‘狮子’不能立刻露出它的全貌，但毫无疑问，这条尾巴就是那狮子的。”爱因斯坦将他生命的最后30年全部用在寻找可以引领他找到“狮子”的那条“尾巴”上。当然了，这里的“狮子”指的是传说中的“统一场论”，或者说是“万有理论”。而“统一场论”或者“万有理论”，应该能够将宇宙中所有的力合并进一个方程中。那么，宇宙中的四种基本作用力（万有引力、电磁力、强核力和弱核力）将由一个长度也许只有两三厘米的方程统一起来。捕捉到这头“狮子”，将是所有物理学领域最伟大的科学成就，将是自希腊人第一次问自己“世界是由什么组成的”以来2000年的科学研究中最高的科学成就。但是，虽然爱因斯坦是第一位踏上这一崇高“狩猎”征程、开始追踪“狮子”脚印的人，但他最终跟丢了踪迹，迷失在了荒野中。20世纪的其他物理学巨人，如维尔纳?海森堡和沃尔夫冈?泡利，也加入了这一“狩猎”征
程。但是，所有简单的想法都尝试过了，并且都被证明是错误的。尼尔斯?玻尔有一次听泡利讲座，在这个讲座上，泡利解释了“泡利版本”的“万有理论”，尼尔斯?玻尔站了起来，对泡利说：“我们从根本上一致认可你的理论，你的理论真是疯狂。但是我们之间的区别，就在于你的理论是否够疯狂！”
事实上，在通向“万有理论”的追踪之路上，布满了失败的科学探险家的遗骸，还有他们的梦想。然而，今天，物理学家追踪着的是一条不同的线索，这条线索可真称得上是“够疯狂”的，希望可以以此找到整头“狮子”。这条新的线索将人们引向了超弦理论。超弦理论是“万有理论”最好的（实际上也是唯一的）候选理论，不像它的竞争对手，很早就被淘汰出局。超弦理论历经每一个掷向它的猛烈的数学挑战存活至今。其实这一点儿也不奇怪，超弦理论是一个激进的、疯狂的理论，对过去的人们来讲，是一个十足的离经叛道的理论，而且它是以10维时空中那些小小的弦的振动为基础的。此外，超弦理论可以很容易地将爱因斯坦的引力理论兼并入其理论中。威滕曾经说：“不同于传统的量子场论，弦理论需要引力。我认为这一事实说明，该理论是有史以来人类取得的最伟大的科学见解之一。”但是直到最近，人们才发现了它的一个明显的弱点，那就是，弦理论家一直以来都无法探测该模型的所有可能的解，在对所谓的“非微扰区域”探索的过程中一败涂地，在下文中我将对此问题进行描述。这一点是至关重要的，因为归根结底，我们的宇宙（有着非常非常多样化的星系、恒星、行星、亚原子粒子，甚至还有人）可能正处于这一“非微扰区域”。除非这一区域被彻底搞清楚，否则我们真的不知道该怎么评论弦理论。弦
理论到底是“万有理论”，还是一个什么也不是的理论呢？这正是今天的人们的兴奋点之根本所在。物理学家在第一次用上了一个被称为“对偶”的强大工具后，现在他们正在探索的已经不再仅仅是“狮子尾巴”那么简单了，他们在另一端看到了一个巨大的、出人意料地美丽的“狮子”的轮廓。不知道该如何称呼这个理论，威滕曾将其称为“M理论”。在此次理论大潮的冲击下，M理论解决了超弦理论中许多令人尴尬的特征，例如，我们怎么会有5个超弦理论。它可能最终解决弦从何处来这一让人纠缠不清的问题。
“豌豆大脑（p膜）”和所有弦之母
爱因斯坦曾经问自己，上帝在创造宇宙的过程中是不是有着各种各样可能的选择。也许事实并非如此，所以对弦理论学家而言，有5个不同的自成一体的弦理论，真是让人尴尬至极，而在这5个弦理论中，没有一个弦理论可以统一两个基本的物理学理论、引力理论和量子理论。
这些弦理论中的任何一个看起来都完全不同于另外4个。它们都是基于不同对称性的，而且这些对称性的名字听起来似乎都充满了异国情调，像E8×E8和O32。不仅如此，而且超弦在某种意义上也不是独一无二的，还有其他的“非弦理论”也包含有超对称性，而超对称性正是潜藏在超弦下面的关键数学对称性。将光转变为电子，然后再转变为万有引力，是超对称性最为惊人的表现之一，即对称性可以将半整数自旋粒子，（如电子和夸克）与整数自旋粒子（如光子、引力子以及W 粒子）进行互相转换。
事实上，在11维时空中，还有以膜为基础的备用超级理论和点粒子
（被称为超级重力）。而在较低维度的时空中，在不同的维度，会有形形色色的以膜为基础的备用超级理论，例如，点粒子是0膜、弦是1膜、膜则是2膜，等等。对于p维时空的情况，一些风趣的伙计将它们称为“豌豆大脑”（“p膜”的英语发音和“豌豆大脑”是一样的）。但是，由于p膜非常难搞，所以长期以来一直被认为只不过是曾经的研究者好奇心作祟的结果而已，是最终会引导人们走进死胡同的一条线索。迈克尔?达夫已经收集了一大堆仲裁者对他所在的美国国家科学基金会和他所做的与p膜有关的工作的坦率的评论。其中一条比较仁慈的评论是：“他对现代理论物理学的各种不同理念中相对重要的部分的观点都是扭曲的。”而这正是谜题所在。为什么超对称性能够允许5种超弦理论，以及这些稀奇古怪、杂七杂八的p膜存在呢？现在我们意识到，弦、超引力和p膜只不过是同一理论的不同方面。将5种超弦理论统一为一个理论，当然也包括p膜。为了弄清楚所有这些是如何完美地组装在一起的，让我们升级一下著名的盲人摸象的寓言故事来说明吧。想象一下，
盲人们首先察觉到了“狮子”的踪迹。听到它跑了过来，盲人们追着它，并且拼命抓住了它的尾巴（这是个1膜）。就在他们为了找寻真相紧紧抓住这条尾巴时，他们感觉到了它的1维形式，并且大声宣告：“它是一根绳（弦）！它是一根绳（弦）！”
但是，随后有一位盲人越过了尾巴，并且抓在了狮子的耳朵上。他感觉到了一个2维的面（一个膜），这位盲人宣称：“不对！它事实上是一个2维的膜！”随后，另外一位盲人可能抓住了狮子的腿。他感知到了一个三维的实体，他喊道：“不对，你们都错了。它事实上是一个三维的膜！”实
际上，他们都是对的。就像尾巴、耳朵和腿是同一只狮子的不同部分，弦和各种不同的p膜，似乎是同一个理论―M理论―的不同极限。保罗?汤森，这个构想的设计者之一，称之为“p膜民主”，也就是说，所有的p膜（也包括弦）生来都是平等的。施瓦兹又在此基础上放入了一个略有不同的“自旋”。他说：“我们是在一个奥威尔式的情境中，所有的p膜都是平等的，但其中有一些（即弦）比其余的‘更平等些’。关键是，它们是唯一可以供我们建立起微扰理论的基础。”为了理解不熟悉的概念，如对偶、微扰理论、非微扰方案，追索它们是在何处被引入
物理，不失为一种有启发性的做法。
对偶
理解这一突破的关键工具是一些被称为“对偶”的东西。不严格地说，如果两个理论能被证明在某一特定前提下互换而结果相当的话，那么它们对彼此来说就是“对偶的”。对偶最简单的例子就是由剑桥大学的詹姆斯?克拉克?麦克斯韦在130年前发现的电和磁的可逆作用方程。如今，正是这些方程控制着灯、电视、X光机、雷达、发电机、电动机、变压器甚至互联网和电脑。这些方程的显著特征是，在我们将磁场B和电场E相互转换时，以及我们将电荷e和拥有一个磁“单极”子的磁荷g进行互换时，这些方程其实都是一样的。这一点的意义十分重大。通常，当一个理论不能被准确地解决时，我们会使用一个近似的方案。例如，在我们第一年的演算中，我们尝试采用泰勒展开式近似地估算某些特定的函数。同样的道理，因为在某些单元中，e2=1/13 7，而这是一个很小的数字，所以，我们可以采用对e2进行幂扩展的方法对理论进行近似估算。因此，我们按
照其贡献大小，以e2+e4+e6……的顺序，将它们加在一起，用于解决两个粒子的碰撞之类的问题。注意，其中每个数字的贡献正变得越来越小，因此，原则上我们可以把它们加在一起。这一泰勒展开式的概化公式被称为“微扰理论”，我们以包含e2的项“扰乱”了系统。举例来说，在射箭运动中，“微扰理论”就是我们如何对我们的箭进行瞄准。伴随着我们手臂的每一个运动，我们的弓越来越接近于对准靶心。而现在，就要试着对g2进行“幂扩展”了。而这要困难得多，事实上，如果我们对g2这个比较大的数值进行幂扩展，以g2+g4+g6……的顺序，将它们加在一起，那么这个数值就大到要爆表了，而且也变得毫无意义了。这就是“非微扰区域”很难探测的原因，如果我们天真地试图用微扰理论对包含常数g 的大耦合进行计算的话，理论值就要爆表了。这种情况第一眼看上去似乎毫无希望，似乎是针插不进、水泼不进的。比方说，如果我们手臂每一个运动的幅度都变得越来越大，那么，我们将永远也无法对我们的弓箭进行校准，并使箭击中目标。但是请注意，由于对偶，有关小常数e的理论（这个很容易解决）和有关大常数g的理论（这个就很难解决了），实际上是完全相同的一个理论，所以我们可以用对偶性来解决非微扰区域的问题。
S对偶、T对偶和U对偶
对偶可能适用于弦理论的第一个征兆，是在1984年由大阪大学的K.吉川和M.山崎发现的。他们证明了将额外维度中的一个以半径R“卷曲”成环，和将这个维度以半径1/R“卷曲”成环，理论是相同的。这一现象现在被称为T 对偶：当我们把R1/R应用于各种不同的超弦时，就可以把弦理论从5个减少到3个。在9维时空中（其中一维是蜷缩的）Ⅱa型弦
和Ⅱb型弦是相同的，同样的，E8×E8型弦和O32型弦也是相同的。
不幸的是，T对偶仍然是一个微扰对偶。当证明还有一个被称作S对偶的第二个层次的对偶时，我们迎来了又一个突破―S对偶为弦理论中微扰和非微扰之间的区域提供了一个对偶。另一个对偶叫作U对偶，它更为强大。
接下来，内森?塞伯格和威腾天才般地向人们展示了另一种形式的对偶是如何解决4维超对称理论中的非微扰区域的。最终说服许多物理学大腕认可这一技术的是保罗?汤森和爱德华?威滕他们证明在10维中的Ⅱa型弦和11维中的超引力之间存在对偶，这让所有人都大吃一惊！Ⅱa型弦的非微扰区域在以前可是一个禁区，但最终被发现在其中一维卷曲的情况下，它是受11维超引力理论支配的。在这一点上，我记得当时的许多物理学家（包括我自己在内）情不自禁一遍遍揉眼睛，不敢相信我们所看到的这一切。我记得当时我对自己说：“但……这是不可能的！”
突然之间，我们意识到，也许“弦理论”真正的“家”不是10维的，而可能是11维的，而
且从根本上来说，也许“弦理论”压根就不是“弦理论”！而这又重新激起了人们对11维理论和p膜的巨大兴趣。潜伏在第11维中的是一种全新的理论，它能够缩减至11维超引力，同样也可以缩减至10维弦理论和p膜理论。
弦理论的批评者
然而，对批评者来说，这些数学发展仍然没有回答那个让人纠缠不清的问题：你怎么测试它？由于弦理论是一个真真正正的“创世”理论，而
它所有完美的对称性就在其无上的荣光之中。批评者悲叹，测试它的唯一方法就是重现宇宙大爆炸本身，而这是根本不可能的。诺贝尔奖获得者谢尔登?格拉肖喜欢通过将超弦理论与美国前总统里根的星球大战计划相比较来嘲笑超弦理论，即，它们都是不可测试的，它们都会榨干一个国家的资源，它们都会吸走全球最好的科学大脑。
事实上，大多数弦理论学家认为这些批评是愚蠢的。他们认为，批评家没有抓住要点。关键点在于：如果这个理论使用纯数学可以解决非微扰性问题，那么它应该可以“向下兼容”到较低能级的理论，如普通质子、电子、原子和分子的理论，而在这个层次上是有足够的实验数据支撑的。如果我们能彻底解决该理论，那么，我们应该能够从其中提炼出其在低能谱领域的理论，而这个理论应该与我们今天在标准模型中看到的熟悉的粒子相匹配。因此，问题并不在于我们要建立一个直径达1000亿光年的粒子加速器，而在于最原始的脑力。也就是只有我们足够聪明，我们才能够写下M理论并解决它，而后一切都会迎刃而解。
“向后”进化
那么，我们要在真正意义上一劳永逸地解决该理论并终结所有的炒作和诽谤，需要怎么做呢？有一种方法是最直接的：尝试着用粒子中各种稀奇古怪的夸克、胶子、电子、中微子、希格斯玻色子等等推导出粒子相互作用的标准模型。（我必须承认，尽管标准模型是有史以来人们提出的最成功的物理理论，但它也是最令人生厌的物理理论之一。）这一点可以通过将10维中的6维蜷缩起来，留给我们一个可能类似于标准模型的4维理论来达成。然后，再给我们标准模型中夸克和其他粒子的正确质量，那
么，我们就可以尝试使用对偶和M理论探究其非微扰区域，看一下其对称性是否以正确的方式被打破。然而，威滕的理念略有不同。他认为解决弦理论的关键是理解理论背后的基本原理。
让我解释一下。例如，爱因斯坦的广义相对论肇始于牛顿第一定律。彼时，爱因斯坦还供职于瑞士伯尔尼专利局，当他正躺在办公桌旁的椅子上时，突然意识到，当一个人处在下降中的电梯里时会感觉不到重力，那是他“一生中最幸福的思想”。尽管自伽利略以来的物理学家都知道这一点，爱因斯坦却能够从中提取出等效原理。这个看似简单的表述（物理定律在一个加速或引力框架中，是局部性无法察觉的）使得爱因斯坦将一个新的对称引入了物理学以进行总体协调转
换，而这又反过来催生了广义相对论背后的作用原理――最美丽而且最令人信服的引力理论。直到现在，我们才试图使该理论量子化，以使该理论能够兼容其他力。因此，该理论的进化史可以概括为：牛顿定律→对称性原理→引力作用原理→威滕的量子理论。对于弦理论，我们需要发现其等效原理的拟合公式。一直以来，最根本的问题是，弦理论一直在“向后”进化，就像威滕说的，“弦理论本是21世纪的物理理论，却在不经意间又返回了20世纪”。我们从来也没有“表示”过，除非等到下个世纪，我们才能一睹这一理论。
这就是我们目光所能及之终点吗？
在向世人介绍他的另一个理论“元理论”时，瓦法又为这一理论增加了一个奇怪的扭曲，这一次是一个被称为F理论（F代表“father”）的12维理论，并用这一理论解释了Ⅱb型弦的自对偶。（不幸的是，这一12
维理论相当怪异：它有两个时间坐标而不是一个，这实际上与1 2维相对论是相违背的。你能想象自己在同一个世界里的两个不同的时间维度上吗？哦！在这一理论面前，《暮光之城》中的剧情简直弱爆了。）那么，最终的理论是10维、11维还是12维的呢？
比方说，他们中的施瓦兹觉得，M理论的最终版本可能没有任何固定的维度。他认为，真正的理论可能是独立于任何时空维度的，只有当人们试图解开它时，才会出现11维。汤森似乎也同意这一观点，他是这样说的：“维度整个是一个近似的概念，只会在一些半经典的环境中出现。”那么，这是否意味着终点就在眼前，在不久的将来，我们就能从牛顿第一定律推导出标准模型呢？就这个问题，我问了此领域的一些学术领袖。虽然他们都是这场革命的狂热支持者，但他们在预测未来上仍持谨慎态度。汤森认为，我们目前所处的阶段类似于量子力学被完整阐明之前人们还在研究玻尔原子的旧量子时代。他说：“我们已经取得了一些类似于玻尔―索末菲量子化法则的、富有成果的图片和法则，但是有一点还是很清楚的，那就是，我们还没有一个完整的理论。”
达夫说：“M理论仅仅是一个需要进行一些非微扰量子化的超膜理论和超5膜理论（这一点至今还无人知道答案），还是像威滕相信的那样，是M 理论的潜在自由度，至今还未被人们证实。在这一点上，我个人是一个不可知论者。”威滕当然相信我们追踪的这条线索是正确的，但我们需要更多的像这样的“革命”，来最终解决这个理论。“我认为，在将来至少还会有几次超弦革命。如果我们能在今后10年再搞出个超弦革命的话，我认为我们就会搞定它。”威滕说。而瓦法说：“我希望这一次我们看到的是‘隧
道尽头之光’，但谁知道这条隧道有多长呢！”此外，关于M理论，施瓦兹曾经这样写道：“M理论是基于某些几何的东西（比如超膜），还是基于其他一些完全不同的东西，目前仍然不清楚。但是，不管怎样，M理论的发现在人类文明史中都将是一
个具有里程碑意义的事件。”就我个人而言，我持乐观的态度。这是我们第一次可以看到这头“狮子”的轮廓，以及它的雄浑壮丽。终有一天，我们会听到它咆哮。
21世纪物理学的25个难题
21世纪物理学的25个难题 大卫·格罗斯1[①] 编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（https://www.wendangku.net/doc/4a10534644.html,/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。 作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。 这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。 1、宇宙起源 第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？” 根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。 1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。
在过去几十年中量子场论及超弦中有关几何拓扑的数学物理问题研究.
中国高等科学技术中心 简报2009—05 2009.1.12 数学物理前沿问题 上世纪八十年代以来，现代数学物理研究已经深入到数学和物理的很多领域，并且取得了极其重要的成果，成为21世纪数学和物理学发展的重点方向。为更加深入推动国内数学物理的发展，中国高等科学技术中心10月13日-17日组织了“数学物理前沿问题”工作周，该工作周由中科院数学与系统科学研究院王世坤研究员和首都师范大学吴可教授负责组织，有来自中科院理论物理所、中科院高能物理所、中科院数学与系统科学研究院、中科院研究生院、北京应用物理与计算数学所、北京大学、清华大学、中国科技大学、浙江大学、首都师范大学、广州华南理工大学、河南大学，湖南师范大学、山东理工大学和宁波大学等单位的五十余名代表参加，其中有14名国内数学物理知名教授和研究员，16名青年学者，约25名数学物理方面的研究生。 工作周研讨的主要内容包括四个方面：1 超弦理论和量子场论中的数学物理问题；2 辛几何、保辛结构算法和离散变分方法；3 协变的延拓结构理论及其推广；4 共形不变性、de Sitta狭义相对论和引力理论。其中第2～3三个研究方向是由我们中国学者提出并开拓的研究方向，这个工作周的一个目的是回顾和总结国内在这些领
域主要研究成果和新的进展，介绍国际上超弦理论和量子场论等数学物理研究的进展，为参加这次讨论班的青年研究人员和研究生指出新的研究方向和研究问题，推动国内有特色的数学物理研究。 工作周期间，共安排了21个学术报告，中科院理论物理研究所的代表详细地报告了The special relativity triple的研究；中科院数学与系统科学研究院的代表介绍了“动力系统几何算法若干问题与进展”；浙江工业大学的代表报告了把离散变分方法用于图形的传输和再生的研究；首都师范大学的代表介绍了将协变的延拓结构理论和方法推广到研究超对称的可积方程和离散可积方程；北京大学的代表报告了在AdS/CFT对应中的半经典弦的研究成果。这些学术报告比较系统地介绍了关于辛几何、保辛结构算法和离散变分方法、协变的延拓结构理论和三个狭义相对论及其研究进展，也介绍了部分突出的研究成果。 “数学物理前沿问题”工作周的一个主要特点是紧密结合我国有优势的数学物理前沿研究，密切结合当前国际上重要的数学物理研究，安排学术报告，开展自由讨论。工作周期间，与会学者踊跃交流，研究生虚心求教，就一些尚未解决的问题深入讨论，为下一步的研究工作打下了良好的基础。研究生普遍反映很有受益。 全体与会人员最后对高科技中心所提供的学术讨论的环境、以及热情安排和周到服务深表感谢。 吴可王世坤供稿
(整理)从爱因斯坦到霍金的宇宙视频题目答案
从爱因斯坦到霍金的宇宙公选课课后习题一．选择题 1、提出了浮力定律、杠杆原理、重心概念的人是谁？(50分) ?A．亚里士多德 ?B．阿基米德 ?C．欧几里得 2、提出惯性定律、相对性原理、自由落体定律的科学家是谁？(50分) ?A．牛顿 ?B．伽利略 ?C．哥白尼 3、下列不是热力学第一定律发现者的是？(50分) ?A．焦耳 ?B．赫姆霍兹 ?C．普朗克 4、克劳修斯、开尔文发现了什么，从而认为热永远都只能由热处转到冷处？(50分) ?A．热力学第一定律 ?B．热力学第二定律 ?C．热力学第三定律 5、迈克尔逊做迈克尔逊试验想要测量以太相对于地球的什么？(50分) ?A．移动速度 ?B．漂移速度 ?C．旋转速度 6、双生子佯谬的问题是谁提出来的？(50分)
?B．费兹杰惹 ?C．爱因斯坦 7、下列哪一项不属于1904年提出的原子模型？(50分) ?A．汤姆生的西瓜模型 ?B．长冈半太郎的土星模型 ?C．卢瑟福的太阳系模型 8、下列不属于卢瑟福的原子模型缺点的是？(50分) ?A．不能解释光谱线 ?B．不能解释原子构成 ?C．不能解释周期律 9、德布罗意构建了物质波的公式，他认为，既然波是粒子，那么物质粒子应当也是波，这就是？(50分) ?A．水波 ?B．光波 ?C．德布罗意波 10、1930年，普朗克的研究生玻特用阿法粒子，轰击那种铍元素以后，发现有一种看不见的射线，这种射线穿透能力比X射线还强，这种射线是？(50分) ?A．伽马射线 ?B．伦琴射线 ?C．中子 11、在原子核裂变研究中，约里奥夫妇用中子轰击铀，得到了什么？(50分) ?A．镭和铯 ?B．镧和钡
【古箭计划】James_-《造翼者》(WingMakers)-中央种族系列大汇总
【古箭计划】James_-《造翼者》(WingMakers)-中央种族系列大汇总.txt心若无尘，一花一世界，一鸟一天堂。我曾经喜欢过你，现在我依然爱你希望月亮照得到的地方都可以留下你的笑容那些飘满雪的冬天，那个不带伞的少年，那句被门挡住的誓言，那串被雪覆盖的再见f6c 下面是《古箭计划》一些资料 WingMakers介绍 摘自wm官网的简介，对wm遗迹的发现、wm的内容和事件背景都有一个来龙去脉的介绍。 从一个非常遥远的未知星系，有一束比千百个太阳还明亮的光在虫洞机制的引导下穿越着宇宙。尽管不断膨胀的宇宙空间消磨着他，让他的光辉在旅途中渐渐褪去，但是，他终于还是赶在成为黑暗之前到达了地球。不到几分钟，当他穿过1996年的那个没有月光的夜空时，位于新墨西哥州的天文望远镜捕捉到了他发出的成千的光子。一台电脑记录下了这束光里所携带的微弱的信号，但是没有人知道，这一信号将会唤醒在Chaco峡谷里沉睡了1200年的那些东西。 1996年的夏天，两名大学生在一处位于新墨西哥北部的Chaco峡谷古考古站点附近探险时，偶然发现了一件奇异的人工制品，它看上去并不属于这个世界。几经周转，这件人工制品流入了ACIO的掌握中；这个组织是NSA（美国国家安全局）的一个机密部分，负责研究用于重获外星科技的“逆转工程”（reverse-engineering )。 这件被ACIO的技术人员称为“罗盘”(the Compass)的制品很快得到了界定：它是属于某种外星族类的，是一个用于指引回家的导航装置。ACIO依此假设，这件制品不是一件单独丢弃在那里的东西，它很可能是某个更大型的，可能属于外太空的设备的一个部分。 一支由ACIO派遣出的探险小队来到了发现“罗盘”的地点，试图发现更多关于这件导航装置的信息。随后不久，他们在峡谷里发现了深深在岩石上开凿出的一处结构复杂的密室。这座密室有一条从岩石上凿出的螺旋形(helix-shaped)长廊，沿着楼梯每隔10米有一间内室(chambers)，共23室。这个发现令探险队大为惊讶，他们立刻判断出这是属于外来族类的时间胶囊。每一间内室里都有一幅神秘的壁画和一件现今科技无法理解的技术制品。在最顶层的内室，探险队还发掘出了一枚可能记录有这个密室建造者以及其目的相关信息的磁盘。 经过努力，由ACIO成员Jamisson Neruda（聂鲁达）率领的团队最终破解了磁盘密码并打开了它，确认了密室的创作者----他们称自己为WingMakers。超过8000页的哲学资料、诗歌、音乐、基因技术信息、次维度(sub-dimensional)公式和关于宇宙论的说明被收录于磁盘之中。WingMakers被认为是中央族类的代表（representatives of the Central Race)，祂们是这个宇宙里的存有当中最为古老的一族，也是各个星系创世神的活体。祂们保管这个宇宙的基因，并在远古的时代曾与人类有过交流；那时，祂们被认为是神。 早在千万年前，了解到地球遥远未来的WingMakers在大陆上的7个地方修建了知识库，并将它们留了下来。新墨西哥州的遗迹就是其中一个。这7个遗迹以某种神秘的方式相互联系在一起，而这些遗迹中究竟有什么信息还不得而知。 Neruda博士，以及他的一名同僚---Samantha Folten，逐渐认同了WingMakers的目的，并且希望将古箭计划（the Ancient Arrow）中的材料公布给科学界。然而ACIO的领导者对此
物理学史论文——弦理论的简单介绍及其发展过程
弦理论的简单介绍及其发展过程 【摘要】弦理论，即弦论，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”。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。正如小提琴上的弦，弦理论中支持一定的振荡模式，或者共振频率，其波长准确地配合。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。本文简单的介绍了它的基本内容以及发展过程。 【关键词】广义相对论量子力学超弦理论M理论 一: 弦理论的形成背景 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; 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, 这是迄今为止最为成功的理论。广义相对论是引力场的相对论理论, 这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。在天文学上的一系列新发现支持下, 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。广义相对论来研究天体物理和宇宙学, 已成为物理学中的一个热门前沿。在量子理论的框架下, 我们可以认识小尺度下的宇宙:分子原子以及比原子更小的粒子, 如电子和夸克。两个理论差不多所有的预言都在实验上被物理学家以难以想象的精度证实了。但同样的这两个理论工具, 却无情地把我们引向一个痛苦的结论: 量子场论和广义相对论是不相容。 爱因斯坦建立相对论之后想到要统一当时公知的两种相互作用力—万有引力和电磁力。他花费了后半生近40 年的精力去寻求和建立一个统一理论, 但没有成功。现在回过头来看历史,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。现在已经知道, 自然界中总共4 种相互作用力除有引力之外的3 种都可用量子理论来描述, 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,。目前，描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论在根本上有冲突，广义相对论的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾，这意味着二者不可能都正确，它们不能完整地描述世界。建立在攀因新坦引力理论上的量子计算给出了“无限大” , 这个落谬的答案正如你用一个数除以零所得到的一样。用数学家的语言来说从计算发散了。因此, 量子化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。现在这一更大的理论框架已初显端倪, 它就是超弦理论。超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果。 二: 弦理论内容及渊源 弦理论之不同于传统的量子场论在于假定物质的基本结构不是点粒子而是弦—一条一 维的曲线。它的特征尺度是普朗克长度, 约为1. 6×10- 35m。 弦有两种基本的拓扑结构: 开弦和闭弦。开弦是两端自由的线段而闭弦是首尾相接的闭合环。最简单的、最有希望的理论却只包括闭合弦。弦运动的各种简正模式的量子激发给出了基本粒子谱。这些激发可以有弦的振动和转动自由度, 对应到粒子谱上, 反映为粒子存在各种内部自由度。在弦理论中, 所有的基本粒子都是一个基本弦的不同运动模式而已。例如, 按照一种特珠方式振动时, 弦可能是一个电子。弦也可以结合或分离—“合二为一或一分
2018星海求知_天文学的奥秘期末考试题答案
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一、 单选题（题数：30，共 30.0 分）
1
开普勒探测器主要观测的是下列哪一块天空区域?( )（ ）
? A、
天鹅座与天鹰座之间的区域
? ? B、
天蝎座与天鹰座之间的区域
? ? C、
牛郎、天津四以及织女包围起来的三角区域
? ? D、
天蝎座与天琴座之间的区域
?
正确答案： C 2
引起潮涨潮落最主要的天体是( )。（ ）
? A、
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专业资料
太阳
? ? B、
水星
? ? C、
月亮
? ? D、
金星
?
正确答案： C 3
下列哪个星系是棒旋星系?( )（ ）
? A、
室女座 M87,E1 型
? ? B、
玉夫座 NGC300,Sa 型
?
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专业资料
? C、
长蛇座 M83,Sa 型
? ? D、
时钟座 NGC1512,SBa 型
?
正确答案： D 我的答案：D 4
球状星团与疏散星团的不同之处不包括()。（ ）
? A、
形态
? ? B、
在星系中的分布空间
? ? C、
恒星成员的普遍年龄
? ? D、
所属的恒星集合的等级
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专业资料 ?
正确答案： D 5
关于“凌日”,下列说法错误的是( )。（ ）
? A、
在太阳系八大行星中,只有金星和水星才有可能发生凌日
? ? B、
水星凌日是可以用肉眼观测到的
? ? C、
水星凌日的周期是 100 年出现 13 次
? ? D、
金星凌日的周期是 100 多年出现 2 次
?
正确答案： B 6
以下关于哈勃关系的陈述,不正确的是()。（ ）
? A、
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M理论：所有超弦理论之母.doc
M理论：所有超弦理论之母 每过10年左右，在弦理论上就会出现一个惊人的突破，在理论物理学界掀起一场轩然大波，使得人们一窝蜂地发表论文和开展各种活动。而这一次，当论文不断涌入美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的计算机公告板及其官方有关超弦论文的信息资源库时，整个国家实验室的网线都热得要燃烧起来了。加州理工学院的约翰?施瓦兹（美国理论物理学家，弦理论的奠基者之一）向世界各地的学术协会宣布“第二次超弦革命”已经到来。普林斯顿高等研究院的爱德华?威滕（美国 著名数学家），则发表了一个历时3小时的引人入胜的演讲，向人们描述“第二次超弦革命”。 这一突破带来的余震甚至撼动了其他学科，如数学领域。普林斯顿高等研究院主任、数学家菲利普?格里菲思说：“我能够感受到该领域的人们所感受到的那种兴奋，以及这股浪潮将给我所专注的数学领域带来的变革……真是十分不得了。我觉得，能够在此生亲自见证这一切，真是我的荣幸。” 哈佛大学的卡姆兰?瓦法教授曾经说：“在这一点上我可能有偏见，但是我认为，这也许是，至少在过去的20年里，不仅在弦理论中，而且在整个理论物理学中，所取得的最重要的进展。”而触发科学家所有兴奋的，是一种被称为“M理论”的理论发现，这一理论可以解释“弦”的起源。在一阵令人眼花缭乱的冲击之下，这一全新的理论解决了一系列自弦理论
诞生伊始就长期困扰人们的谜团。这些谜团始终卡着许多理论物理学家（包括我自己在内！）的喉咙。此外，M理论甚至可能迫使弦理论改变它的名字。虽然M 理论的许多特征都还是未知数，但它似乎并不只是一个纯粹关于“弦”的理论。得克萨斯州农工大学的迈克尔?达夫已经发表了一篇名为“原来被称为‘弦理论’的理论”的演讲。弦理论学家谨慎地指出，这并不能证明该理论的最终正确性，用任何方式都不行。这可能需要我们再努力上几年或者几十年。但是它标志着一个最为重大的突破，而这个突破已经重塑了整个领域。 “狮子”寓言 爱因斯坦曾经说过，“大自然只是给我们亮出了‘狮子’的一条尾巴而已。但我从不怀疑，尽管由于它身躯庞大，‘狮子’不能立刻露出它的全貌，但毫无疑问，这条尾巴就是那狮子的。”爱因斯坦将他生命的最后30年全部用在寻找可以引领他找到“狮子”的那条“尾巴”上。当然了，这里的“狮子”指的是传说中的“统一场论”，或者说是“万有理论”。而“统一场论”或者“万有理论”，应该能够将宇宙中所有的力合并进一个方程中。那么，宇宙中的四种基本作用力（万有引力、电磁力、强核力和弱核力）将由一个长度也许只有两三厘米的方程统一起来。捕捉到这头“狮子”，将是所有物理学领域最伟大的科学成就，将是自希腊人第一次问自己“世界是由什么组成的”以来2000年的科学研究中最高的科学成就。但是，虽然爱因斯坦是第一位踏上这一崇高“狩猎”征程、开始追踪“狮子”脚印的人，但他最终跟丢了踪迹，迷失在了荒野中。20世纪的其他物理学巨人，如维尔纳?海森堡和沃尔夫冈?泡利，也加入了这一“狩猎”征
虫洞理论阅读答案
虫洞理论上世纪30年代，爱因斯坦等科学家在研究引力场方程时，假设宇宙中可能存在连接两个不同时空的狭窄隧道，这个隧道就是后来物理学家所说的虫洞。爱因斯坦认为通过这个隧道即虫洞可以做瞬时的空间转移，如果虫洞的出口恰好停在过去，就可以通过它逆着时间旅行。当然，进行这种时间旅行时你只能旁观，因为时间是线性的，事件就是一个个已经穿好的珠子，你无法改变珠子也无法调动其顺序。但截至2013年，还尚未有实验证实虫洞真正存在。早在19世纪50年代，已有科学家对虫洞作过研究。一些物理学家认为，理论上，也许虫洞可以使用，但虫洞的引力过大，会毁灭所有进入的东西；同时，即使宇宙中充斥着数以百万计的虫洞，但也很少会有直径超过10万公里的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。因此虫洞不太可能用于宇宙航行。随着科技的发展，新的研究发现，虫洞的超强力场可以通过“负质量”来中和，起到稳定虫洞能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”拥有“负质量”，可吸去周围所有能量。目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。“负质量”的发现为利用虫洞创造了新的契机，只要用“反物质”去扩大原本细小的虫洞，并强化“虫洞”的结构，使其稳定，就可以让太空飞船穿过。与此同时，许多科学家也在致力于构造人工虫洞的研究。科学家桑恩等人从理论上提出了构造虫洞的概念。他们相信，先进文明所创造的人工虫洞，可以用奇异物质的“支柱”来保持虫洞的畅通。奇异物质具有超过它能量密度的极大的负压，其引力具有排斥性，从而使得它周围的空间被扭曲得十分奇怪，这正好改变了空间扭曲的“符号”。桑恩的虫洞，可称为奇异物质虫洞。科学家麦可思提出了“磁虫洞”理论。他说，极强烈的磁场能弯曲时空而形成虫洞。根据相对论，任何含有能量的东西(包括磁场)，皆能弯曲空间。远在上世纪20年代，科学家莱特，就在爱氏方程中找到了磁引力。莱特的理论表明，在一个由螺线管产生的磁场中，螺线管内形成了一个引力场，但要获得这种人工引力场，需要十分巨大的磁场。麦可思说，在实验室内，用2.5T(特斯拉)的磁场即可构造出一个“磁虫洞”，但洞的半径极大，约为150光年，若要将此“虫洞”的半径压缩到实验室的尺度，则所施加的磁场需大到10亿T，这显然超出目前人类的科技能力(最大人工磁场约10T)。但麦可思认为，在天空中必定能找到这种“磁虫洞”，因为中子星表面的磁场达10亿T，在那里，“磁虫洞”将自发地产生。不论“奇异物质虫洞”或“磁虫洞”，只要它们存在于天空之中，就能从地球上测得它们的特征性信号，我们将看到一个两边特别明亮中间较暗的R光学像。 5. 下列对“虫洞理论”的解释，不准确的一项是 A. 虫洞是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道，理论上，利用它我们可以做瞬时的空间转移，回到过去或穿越未来。 B. 虽然虫洞的能量场可以毁灭所有进入虫洞的东西，但利用“反物质”来中和以后，太空飞船就有从虫洞中穿过的可能。 C. “虫洞的引力”和“虫洞的超强力场”，拥有负质量的“反物质”和具有极大负压的“奇异物质”是含义各自相同的两组概念。 D. 尽管以目前人类的科技能力还不能建造一个适合实验室尺度的“磁虫洞”，但麦可思却相信太空中或许存在着这种“磁虫洞”。 6. 下列理解和分析，符合原文意思的一项是 A. 桑恩和麦可思建造的虫洞，分别利用了奇异物质的负压和人工磁场的引力来稳定虫洞的能量场，其中的科学原理是相似的。 B. “反物质”是相对于“正物质”而言的，它拥有“负质量”，可以在虫洞中吸收能量，并使自身的结构稳定，从而扩大虫洞。 C. 麦可思首先提出，任何含有能量的东西皆能够弯曲空间，极强烈的磁场也能弯曲时空而形成虫洞，他据此提出了磁虫洞理论。 D．只要桑恩的奇异物质虫洞和麦可思的磁虫洞存在于天空中，我们就能从地球上看到它们两边特别明亮中间较暗的R光学像。 7.根据文意，下列推断不正确的一项是 A. 时间是线性的，事件则像一个个被穿好的珠子，无法改变珠子也无法调整顺序，故即使能由虫洞回到过去，也不可能“重新来过”。 B. 既然“负质量”已经被世界上的许多实验室成功地证明了能够存在于现实世界，那么，利用“反物质”来建造
超弦理论与虫洞
超弦理论与虫洞 摘要：超弦理论是建立在“波导模型”基础上的、从微观角度上阐述物质构成和宇宙性质的新理论。本文从爱因斯坦和霍金的基本理论研究出发，对超弦理论做了较为具体的概述，以及由此而扩展开的关于通过虫洞进行时空旅行的不可行性分析。 关键词：超弦理论，相对论，虫洞，时空旅行 Abstract: Superstring theory based on the model of waveguide is a kind of newly-found theory which can explain the constitutions of substance and characters of universe. This thesis elaborates the conception of superstring theory and contains further analysis about travelling through wormhole according to the theories of Einstein and Hawking. Keywords:superstring theory, relativity theory, wormhole, trip through time 一、引言 二十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; 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, 这是迄今为止最为成功的理论。两个理论差不多所有的预言都在实验上被物理学家以难以想象的精度证实了。但同样的这两个理论工具, 却无情地把我们引向一个痛苦的结论: 量子场论和广义相对论是不相容的。 爱因斯坦毕生都在寻求完成两种理论的统一，找到一种宇宙大一统的定律，但没有成功。现在已经知道, 自然界中除有引力之外的3 种都可用量子理论来描述, 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。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。现在这一更大的理论框架已初显端倪, 它就是超弦理论。超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果。
超弦理论简介
三、超弦理论简介 2006年7月世界著名数学家、哈佛大学教授丘成桐院士，在南开大学陈省身数学研究所演讲前后曾说：弦理论研究已经到了“重大革命性突破的前夜”。 2008年获得诺贝尔物理学奖的南部阳一郎，就是一位著名的弦理论先驱者之一。2009年10月英国剑桥大学著名科学家霍金告别卢卡斯数学教授职位后，也是著名的弦理论先驱者之一的格林，获得了剑桥大学声望最高的卢卡斯数学教授席位。卢卡斯数学教授职位于1664年设立，科学史上一些最伟大的人物都曾获得这一头衔，其中包括牛顿和狄拉克。说明当代科学前沿的弦膜圈说已出现发展的势头。现任我国《前沿科学》编委的美籍华人物理学家、美国杜邦中央研究院退休院士的沈致远先生说：“在美国超弦理论和圈量子引力论已成显学，占据一流大学物理系要津，几乎囊括了这方面的研究经费，年轻的粒子物理学家如不做弦论，求职非常困难，资深的也难成为终身教授”。湖南科技出版社2008年4 月出版了李泳先生翻译的斯莫林的《物理学的困惑》一书，在该书开头11页至15页有，即使斯莫林是站在反对弦论者的代表人物的立场上，他也不得不承认：“在美国，追求弦理论以外的基础物理学方法的理论家，几乎没有出路。最近15年，美国的研究型大学为做量子引力而非弦理论的年轻人一共给了三个助理教授的职位，而且给了同一个研究小组”。“因为弦理论的兴起，从事基础物理学研究的人们分裂为两个阵容。许多科学家继续做弦论，每年大约有50个新博士从这个领域走出来”。“在崇高的普林斯顿高等研究院享受有
永久职位的每个粒子物理学家几乎都是弦理论家，唯一的例外是几十年前来这儿的一位。在卡维里理论研究所也是如此。自1981年麦克阿瑟学者计划开始以来，9个学者有8个成了弦理论家。在顶尖的大学物理系（伯克利、加州理工、哈佛、麻省理工、普林斯顿和斯坦福）。1981年后获博士学位的22个粒子物理学终身教授中，有20个享有弦理论或相关方法的声誉。弦理论如今在学术机构里独领风骚，年轻的理论物理学家如果不走进这个领域，几乎就等于自断前程。” 20年来统一场论的研究主要有四条道路。 第一条道路即所谓的“弦论”。它是物理学家们的宠儿，沿着这一道路前进的理学家为数最多，远多于其他道路。弦论诞生于意大利物理学家伽布利耶?威尼采亚诺（Gabriele Veneziano）在1968年写下的一个公式。该理论认为量子理论不该被应用于点状对象，而应被应用于极微小的线条，即“弦”，这些弦的振动可以导出以相对论的种种公式并可以描绘日前所探测到的所有粒子。 第二条道路——“圈量子引力论”——则于1988年出现在意大利人卡尔洛?罗韦利（Carlo Rovelli）及美国人李?斯莫林（Lee Sm olin）的笔下。其目标是重新诠释广义相对论将时空与万有引力联系在一起的方式，以便在不改变任何公式的前提下，使量子理论的公式能够得到直接的应用。这可谓是对这一难题发起的正面进攻，它并没有引入任何新的概念。在一些物理学家的心目中，它将成为弦论的有力竞争者。 1904年，庞加莱提出庞加莱猜想，奠定了当代
8、弦理论的局限性
8、弦理论的局限性 《科学》杂志2004年第10期的劳伦斯·M·克罗斯专访中提到：目前最让物理学家困惑的问题有三个：A、暗能量的本质是什么？B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学？C、是否存在额外维度？克罗斯认为，这三大困惑还互相关联，而且都需要对量子力学有新的认识,但他对物理学界看好的超弦理论和圈量子引力理论作了拼击。他说，弦理论的时代会过去，因为面对物理学家的三大困惑，弦理论和圈量子引力理论所做的是，通过不小于某一特定距离的尺度来绕过困难。这是因为如果超过该尺度，事物将以不同的方式作用。从解决物理学问题的意义上，弦理论没有做出太大的成绩，虽然它产生了许多有趣的数学发现。弦论的时间观与相对论的时间观基本等同，并且进一步地认为时间可以卷曲或舒展，甚至认为不能给时间一个准确的定义。显然，这就与时间是空间及运动的天文学本质也不相关。 1. 自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的？ 许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所谓的超对称现象．第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就像质子、电子和中子一样．它们聚集在一起组成物质．另一种粒子是玻色子，它们是传递作用力的粒子，类似于传递光的光子．在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反之亦然．物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为“ｓｐａｒｔｉｃｌｅ”．但由于在自然界中还没有观察到ｓｐａｒｔｉｃｌｅ，物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了． 2、为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数？ 这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左右、前后，人们无法想像在更多的方向上运动．这并不意味着宇宙原本就是这样的．实际上，根据超弦理论，肯定还存在着另外六个维数，每一维都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉．如果这一理论是正确的，那么为什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢？ 3. M理论的基本自由度（M理论的低能极限是11维的超引力，它包含5种相容的超弦理论）是多少？这一理论理否真实地描述了自然？
虫洞与时空旅行(选修课结课论文)
序号：1101 虫洞与时空旅行 姓名 专业班级学号 摘要：本文介绍了有关虫洞的一些问题，包括虫洞的概念及提出，虫洞的结构，虫洞的 形成，及虫洞和黑洞区别，并介绍了虫洞下的时空旅行，同时论述了时空旅行的可能性。虫 洞的概念是由伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦所提出，现在虽仍然无法证明其存在性， 但也发现了一些与其相关的信息。人们相信虫洞的存在，期待着有一天能够彻底破解虫洞之 谜，并且自由地能够穿梭时空。 关键词：虫洞时空旅行相对论 一、虫洞的形成以及虫洞的一些相关常识 虫洞理论是爱因斯坦1913年提出的，但此后的很长时间，人们几乎忘记了它。20世纪 80年代中期，卡尔·萨根在他的小说《接触》中首次重提虫洞。作为一个科学家，萨根希 望尽可能科学而准确地描述虫洞，为此，他还专门请教了加州科技学院的物理学家基普·德 隆，最后，在萨根的小说中，主人公艾莉经由一个虫洞到达了银河系的中心。 （一）虫洞是怎样形成的 1、虫洞的概念与提出 虫洞是霍金构想的宇宙期存在的一中极细微的洞穴。在广义相对论发表后不久，1935 年，爱因斯坦就在理论上发现了“虫洞”—也就是由两个相连的“黑洞”所构成的时空结构 中的“豁口”的存在——一条贯穿空间和时间的隧道。虫洞是宇宙中相距遥远的两点间的一 条假想捷径，它有两个洞口，是空间弯曲的产物。在图中，我们宇宙理想化为二维的，宇宙 的空间在图中表现为一张二维面。在纸上爬行的蚂蚁感觉不到纸是平整还是褶皱的，同样， 宇宙中的我们也不太清楚我们的宇宙在超空间里是平直的还是像图那样弯曲的。然而有一点 褶皱也是重要的，这样地球和天狼星才可能在超空间里相邻，从而才可能通过很短的虫洞联 结起来。 通过超空间连结地球和90万亿公里外的天狼星的1公里长的虫洞 2、虫洞的结构 虫洞旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞，你可以跳进黑洞而从白洞中跳 出来，虫洞是由黑洞与白洞组合的。（白洞-虫洞-黑洞）
《星际穿越》影评800字
《星际穿越》影评 这部电影尽管有Kip Thorne这样的物理学巨擘保驾护航，却意外的亲民，我就算想写高逼格影评分析剧情都不知道哪里入手。 简单地说，就是地球快咽气的时候，NASA发现土星附近出现了一个虫洞，虫洞只能人为制造，尽管不清楚到底谁干的，但是虫洞可以大大缩短宇宙旅行距离，因此人类有了寻找新家园的可能性。第一批派出的探索者有三个反馈了积极信号，于是主角团就穿越虫洞找这三颗星球。在前两个星球历险后，燃料不足以支撑回程，所以Cooper利用黑洞引力让Brand去找第三颗，自己则随着脱离的舱体进入黑洞。后来发现黑洞内部的世界由五维度生物（未来人类）制造，而就是他们引导着过去的人类拯救自己，Cooper领悟后开始当图书管理员引导自己并传给女儿信号，最终解决重力难题，拯救了大家。 Kip是个好老师，可以把复杂的理念解释得很清楚。影片里相当形象地解释了虫洞。它就是借助空间折叠、连接超远距离两个地点的快速通道，所以太空旅行的时间可以大大缩短，这也是拉撒路任务最关键的部分。 黑洞吸收一切物质。主角们在燃料快耗尽的情况下，利用黑洞的超强引力靠近最后一个星球，此时只需要控制方向，别让飞船离黑洞太近或者脱离轨道。最后是利用了飞船部分脱离产生的反作用力给Endurance提供向前的动力。 黑洞和虫洞是完全不同的两个概念，人们对黑洞事件视界之内的事情一无所知。正因为一无所知，所以理论上编剧们怎么玩都行。 A计划的关键在于重力，这具体来说就是如何把地球上的人都送上殖民星球，而现在的人类科技无法达到如此水平，因为对重力的研究还不够透彻，需要关于黑洞里奇点的资料。这在Brand爹看来毫无希望，所以A计划一开始只是个忽悠人的幌子，B计划的500受精卵倒是更为现实。 我知道这部电影算是会有争议的那一种，有人会称其神作，有人会大失所望，所以各自保留观点吧。现在想想Interstellar还是翻成“星际之间”好，“星际穿越”好像只注重穿越虫洞（在电影里其实不是那么重要，只是个基本设定），“之间”却注重距离与联系，回味无穷。
超弦理论的几个方向
超弦理论的几个方向——李淼来源：牛犇犇~Kaka的日志 1．引言 超弦理论从上世纪六十年代末被发现到今天，已经有了36年的历史。经过了几个转折，发展到今天，成了最流行的量子引力理论。许多人研究弦论是出于对引力量子化的追求，也有一部分人研究弦论是想统一引力与其它相互作用力，更有一部分人因为弦论对目前的数学有很大帮助才有了兴趣来了解和研究弦论。 经过许多人的努力，弦论被发展成为一个自洽的、统一的量子引力理论。说弦论是一个自洽的理论，因为弦论不仅是一个传统上通过微扰定义的理论，在非微扰的层次上也存在；弦论的统一归功于过去十年的发展，特别是1994年至1998年之间的所谓弦论第二次革命的许多概念上的飞跃，使得人们发现过去看起来很不相同的弦论其实是一个理论在不同极限下的表现。 然而弦论的首要目的是研究现实世界，在这一点上离成功还有很大的距离。在弦理论的框架下有没有可能计算粒子标准模型中的许多参数，有没有可能计算最近几年宇宙学观测所发现的宇宙学常数？这些问题还是目前学界争论的焦点。 弦论在近几年的发展，完全遵循了过去几十年来的模式：在一段快速发展之后，由于一些传统难题和新提出的问题相当困难，进入了缓慢但稳定的发展时期。很难预言这个时期会持续多长。但从以往的经验来看，不会过很长时间，就会有新的概念的形成从而引发新一轮的高速发展。没有一个人能预言这些新概念和新突破是什么，因为新的进展总是大多数人意想不到的。我们回顾一下近几年来新的发展，就是要总结一下已经存在的发展方向，理顺思路，为接受甚至发现新的突破点作准备。 2．快子和不稳定膜 快子就是那种表面上看起来以超过光速运动的粒子。在场论中，快子的存在并不破坏狭义相对论，因为这样的粒子不稳定。同样，快子所对应的场也不稳定。例如，一个快子标量场的势能有一个局域的极大点，场在这一点附近不稳定，会向势能更小的方向滚动。在物理理论中，经常会遇到不稳定的模式，这些模式其实就是快子。 弦论在1994年至1998年之间的巨大进展主要归功于对一些绝对稳定模式的研究。由于这些模式的存在，人们可以对比表面上不同其实是等价的理论，因为在等价的理论中只有绝对稳定的模式是可以对比的，不稳定模式的衰变需要计算，这样的计算在一个理论中可能比较简单，而在另一个理论也许是不可能的。但是，绝对稳定模式的存在需要超对称的存在。在我们的世界中，超对称并不存在，或者是受到很大程度上的破缺，所以，研究不稳定模式是非常重要的一件事。 最早进行这个研究的是印度人森(A. Sen)，森自98年就开始了他的系列研究。那时他关心的是弦论中没有受到超对称保护但却是稳定的态，一个典型的例子是杂化弦中的一个粒子。
尔雅 星海求知：天文学的奥秘 2016答案
一、单选题 1 光谱之于恒星，犹如（）之于个人。 ?A、 指纹 ?B、 性别 ?C、 身高 ?D、 相貌 我的答案：A 2 黑洞与白洞在哲学意味上与以下哪对名词是很相似的？() ?A、 雄性与雌性 ?B、 氧化性与分解性 ?C、 酸性与碱性 ?D、 正电荷与负电荷 我的答案：B 3 组成星际有机分子的含量在前6名的化学元素中，哪种是在地球上的有机分子中排不进前6名的？（） ?A、 氢 ?B、 氧 ?C、 硫 ?D、 硅 我的答案：D 4 类星体的结构中，数量不止一个的是（）。 ?A、 中心黑洞 ?B、 吸积盘 ?C、 喷流
?D、 红移量 我的答案：C 5 疏散星团一般分布于银河系的银盘中，那么，以下哪个黄道星座的疏散星团的数量是最少的？（） ?A、 天蝎座 ?B、 金牛座 ?C、 巨蟹座 ?D、 狮子座 我的答案：D 6 银河在星空中的“流域”没有涵盖哪个星座？（） ?A、 天鹅座 ?B、 天蝎座 ?C、 南十字座 ?D、 狮子座 我的答案：B 7 下列哪个梅西耶天体本身不是球状星团，却包含了球状星团？（） ?A、 武仙座大星团 ?B、 猎户座大星云 ?C、 仙女座大星系 ?D、 昴星团 我的答案：C 8 21世纪至今（2015年），尚未经历过日全食或日环食的中国省份是：（） ?A、 北京 ?B、 上海 ?C、
广东 ?D、 云南 我的答案：A 9 从赫罗图可以得知，太阳属于哪一类恒星？（） ?A、 主序星 ?B、 白矮星 ?C、 红巨星 ?D、 红超巨星 我的答案：A 10 有人将亚里士多德的“第五元素”与暗能量相提并论，还有人提到了所谓“幻影能量”。从现代科学的角度出发，对于这些观点，以下分析正确的是（）。 ?A、 亚里士多德在世时便预见了暗能量的存在 ?B、 面对暗能量的不可知，人们沮丧之余只能从远古圣贤那里寻求慰藉 ?C、 暗能量就是等同于第五元素、幻影能量 ?D、 第五元素、幻影能量等名词只是一个借用，提到它们是为了方便人们理解目前未知性仍然很大的暗能量 我的答案：D 11 宇宙标准模型中，时间是宇宙创生的（）秒之后开始的。 ?A、 10^(-4) ?B、 10^(-10) ?C、 10^(-36) ?D、 10^(-44) 我的答案：A 12 下面哪种双星系统中，成员恒星的物理性质变化最大？（） ?A、 食双星 ?B、
空间是一个集合
空间是一个集合，最基本的元素是点，点的集合是线面体，也就是说在一个从“无”到“有”的发展中，三维运动，是因为有时间？其实不，三维体的运动产生了时间，这一个说法，那也就是人类给四维的最好说法。简单的说五维就是由于四维运动产生，不过运动的那根轴是怎么的说法，想也不是那么好想的，假设四维空间可以对折那么对折后的那部分所谓的无，就会由于四维的运动而给填补，那样大家也许会说，这样并不能影响时间的运动，也就是没对四维造成改变，不能是四维运动。不是那样的，时间就是由三维运动产生，既然这样不就是三维的改 变，变的让时间需要变短，那样不就成了五维，也就是说那个轴就是速度.根 据爱因斯坦的狭义相对论，特别是其中提出的钟慢尺缩论断。当一个物体运动速度接近光速时，物体周围的时间会迅速减慢、空间会迅速缩小。当物体运动速度等于光速时，时间就会停止、空间就会微缩为点，也就是说出现零时空。当物体运动速度超过光速时，时间就会出现倒流即所谓负时间；空间也会相应回到过去空间，也就是所谓的负空间，这时该物体就进入了负时空，即时空倒流或时空倒转，从而该物体就实现了瞬移即瞬间移动。我们用空间直角坐标系来表示五维空间时，空间时间各为横轴和纵轴，再加上速度为竖轴，即可形成五维空间参照系。在该参照系中，时间和空间的坐标轴不仅有正轴，还有负轴，同时还包含原点在内。时间和空间在五维空间参照系中存在时间—空间距离，即正负时间和正负空间之间有几何距离关系（至少在坐标系中理论是这样的）。[编辑本段]相对五维空间在时空隧道当中的存在性爱因斯坦广义相对论本身预言了：空间－时间在大爆炸基点处开始，并会在大挤压基点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个基点处（如果一个局部区域，譬如恒星要坍缩的话）结束。广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题，因为它预言，在大爆炸奇点宇宙是从无限密度开始的。在奇点处，广义相对论和所有其他物理定律都失效：人们不能预言从奇点会出来什么。正如以前解释的，这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点和任何先于它的事件，因为它们对我们没有任何观测效应。空间－时间就会有边界——大爆炸处的开端。时间和空间在大爆炸开始，在大挤压终结，那么在这个过程当中，整个宇宙就存在一个完整的四维空间，时间和空间从开始再到时间和空间结束，时间和空间就在整个宇宙当中留下了一个长长的时间和空间轨迹，那么这个时间和空间留下的轨迹我们就称之为时空，那么什么是时空隧道（假设时空隧道是存在）呢？我定义为：时间和空间就在整个宇宙当中留下了一个长长的时间和空间轨迹，再次经过时间而留下的一个长长的双重时间的通道。[编辑本段]物理维度事实上的物理维度是多样的，我们熟知的是三个空间维度和一个常听说的时间维度。物理中的维度是从数学上定义的。而空间维度应当只有三维。零维向任意方向(方向是任意的)生长就形成了一维线(任意线,不只是直线)，一维线延法线方向(方向在一个平面内，所以是法平面,是二维的)生长就形成二维面，同理，二维面延法线方向(方向固定了，在一直线上)生长得到三维体。而三维体在空间上已经没有生长可能，用推论法可知,零维点有三维生长方向，一维线有二维平面为生长方向，二维平面有一维线为生长方向。生长方向随空间维度的升高而递减。三维体的生长维数为零。所以三维空间不可能生长成四维空间，四维的称为时空，时间维度是独立在空间维度之外的物理维度。也就是说智子实际只能是三维弄成二维制造的。而这样的制造是可以科幻一下的。然而也还是幻的成份多一点。正如我们自身身处三维空间，却无法感知二维空间一样，甚至无法证明二维空间的存在。因为不同维度的能量显然是不能交换的，否则永动机就真是有根有据啦。线是一维的，参数是点面是二维的，参数是线体是三维的，参数是面以此类推，以体为参数构成的空间就是四维空间，通常理解为时间，从很多书中可以看到类似的说法。那么以时间为参数构成的空间应该就是五维空间，我们人类能够感知的只有4维了。发现一个规律：一维的东西能够容纳所谓的零维（直线是由点构成）二维的东西能够