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。
由于这个理论与型I开弦理论等价，所以该粒子应该能在型I理论中找到。森发现，其实这个粒子有一个复杂但很漂亮的构造。在型I弦论中，存在一种稳定的孤子弦解，就是通常人们所说的D弦。D弦和反D弦放在一起形成一个不稳定系统，虽然这个系统不稳定，但其有效理论中有一个孤粒子解，这个解就是杂化弦中出现的那个粒子。
这个发现引发森对更为一般的D膜－反D膜系统的研究，以及不稳定D膜的研究。所有这些系统的共同特征是不稳定性，从而系统中存在快子。这些快子和D膜上其它激发态一样，是开弦的态。快子通常由一个虚质量来刻画，这个质量是弦论中的能量标度。由于弦论中的无限多个有质量的粒子的质量都由弦论能量标度所决定，我们会简单地推断如果想精确地描述快子系统，我们必须考虑无限多个粒子的效应。很奇怪地，快子其实有一个简单的有效动力学，与无限多个粒子并没有太大关系。因为这个简单动力学描述的存在，我们就可以方便地研究不稳定膜的动力学了，例如不稳定膜是如何衰变的。
不稳定膜的研究不仅涉及弦论本身的一些重要问题，如对偶性以及最一般物理态的动力学，在宇宙学中也可能有重要的应用。很多人用D膜反D膜系统构造暴涨宇宙学模型。在这个模型中，宇宙中除了通常的三维空间和一维时间之外，可能存在更多的空间维度。D膜和反D膜充满了我们的三维空间，但可能和其余空间垂直。开始的时候，D膜和反D膜之间的位形不一定完全重合，D膜反D膜之间存在的吸引力将它们渐渐地拉近。由于D膜反D膜之间的吸引力所对应的势能不为零，使得宇宙学加速膨胀从而导致暴涨。最后，D膜和反D
膜的碰撞使得这些膜湮灭衰变成相对论性粒子，这就是暴涨宇宙学模型中要求的重新加热，我们的宇宙中的能量和物质起源于这个加热时期。另外一种可能是，开始的时候D膜和反D 膜完全重合，但因为某种原因快子处于其势能的高处，这样快子的不等于零的势能使得宇宙学加速膨胀。当快子完全衰变成其它粒子的时候，暴涨结束。在这个模型中，我们并不很清楚宇宙的再加热是如何发生的。
比不稳定膜困难的是闭弦的快子问题。在许多闭弦理论中也存在快子，例如最早被构造的玻色弦理论。在这个理论中，没有费米子，只有玻色子，因此时空的维度很大，是26维。这个理论是不稳定的，在弦的激发态中存在快子。这个快子的有效动力学比不稳定D膜上快子的有效动力学要复杂得多。有人猜测，当这个快子完全衰变后，时空就不再是26维的，可能是10维的，这样弦论就是超对称弦论了。另外一种猜测是，快子衰变的结果是一个两维的时空，在这个时空中，弦论依然是玻色弦论，不过快子消失了。更有一种猜测认为快子衰变的结果是一个27维的时空，这个27维的理论很类似11维M理论，是玻色弦论的强耦合极限。到底哪种猜测是对的，还是一个都不对，需要我们真正理解了闭弦的快子动力学以后才能作出判断。
3．全息原理和可积系统
全息原理是基于黑洞的量子性质提出的一个新的基本原理，凡是包含量子引力的理论都必须遵从这个原理。
早在七十年代初，贝肯斯坦(J. Bekenstein)就发现，黑洞应该有一个宏观的熵，熵值正比于黑洞视界的面积，反比于普朗克长度的平方。对于黑洞的一个外部观察者来说，黑洞所占据的空间由它的视界所决定。假想一个含有很大质量的系统坍缩成黑洞，原系统所占的体积一定大于视界的大小所决定的体积，而原系统的边界面积也大于视解面积，所以黑洞的熵小于原系统边界的面积（乘以一个常数）。如果热力学第二定律在坍缩的过程中是成立的，这样
原系统的熵小于黑洞的熵。两个不等式导致一个新的不等式，就是，一个系统的熵小于它的边界的面积。这就导致了全息原理：一个系统原则上可以由它的边界上的一些自由度完全描述。
全息原理在马德西纳(J. Maldacena)猜测中第一次被实现。这个猜测说，当弦论或者M理论的时空背景是反德西特(anti-de Sitter)空间的时候，它的任何动力学都可以有一个低一维的场论来实现，也就是说，弦论完全等价于一个低一维的场论。由于反德西特空间的对称性，场论中的对称性要大于原来的洛仑兹对称性，这个比较大一些的对称群叫做共形对称群。当然，人们可以通过改变反德西特空间内部的几何来消除这个对称性，从而使得等价的场论没有共形对称性。
马德西纳猜测虽然没有得到完全的证明，很多计算表明这个猜测是正确的。这个猜测可以从两个角度来研究，最简单的就是只研究反德西特空间的经典引力，其对应的场论描述并不一定是经典的，是场论中的一种特殊的极限；第二个角度是不但研究反德西特空间上的经典引力，还研究量子涨落的效应，但即使利用弦论，这样的计算也是十分困难的。所以，大多数研究马德西纳猜测的工作局限于前者。直到最近几年，人们才开始研究这个猜测中的弦论效应。
因为反德西特空间上的弦论的计算很复杂，所以这些新的计算也是在一个极限下作出的。在这个极限下，反德西特空间过渡到一个新的时空（叫做pp波背景），在这个时空背景中，人们可以精确地计算弦的无限多个态的谱，反映到对偶的场论中，我们就获得场论中一些算子的反常标度指数。通常，在一个有着强相互作用的场论中计算一个算子的标度指数也是一个困难的问题，幸运的是，人们利用一些技巧可以完成这个计算，所得的结果与弦论的计算一致。这个技巧是基于场论中算子的构造以及场论的哈密顿量的简化。后来人们发现，算子的这种构造与过去将弦看作是一小段一小段的弦的微单元(bits)的组合很类似。当然，弦并不是由有限个微单元组成的，要得到通常意义下的弦，我们必须取一个极限，在这个极限下，每个微单元的长度趋于零，而微单元的数目趋于无限大，使得弦本身对应的物理量如能量动量是有限的。在场论的算子构造中，如果我们要得到pp波背景下的弦态，我们恰好需要取这个极限。
所以，在这个特别的例子中，通过全息原理的场论描述，我们重新获得了过去弦的微单元模型。至于微单元模型是不是一个普适的构造，我们并不清楚。但是在pp波这个特殊情况下所获得的结果是第一次对弦论中的全息原理的具体实现，不但如此，人们还发现，在这个背景之下，对应的场论描述很可能是一个可积系统。
4．弦宇宙学
1998年至1999年之间，型Ia超新星的数据分析使得两个独立的小组得出一个惊人的结论，我们的宇宙不但在膨胀中，还在加速膨胀中。早在广义相对论的创立之初，爱因斯坦就将他的理论应用到宇宙学中，发现他的方程不允许有静态宇宙，那时他还相信宇宙是静态的。这个结果非常容易理解，因为万有引力是吸引力，宇宙要么在引力的作用下坍缩，要么作减速膨胀。为了得到一个静态的宇宙，爱因斯坦在他的方程中引入一个很简单的项，这就是宇宙学常数项。这一项的作用是为引力提供一部分排斥力，在这个排斥力和原来的引力的平衡下，宇宙可能是静态的。
当然，后来的哈勃的观测表明，宇宙不是静态的，而是在膨胀。从哈勃的发现到上世纪末，人们一直认为宇宙虽然在膨胀，膨胀的速率在减小，也就是说引力在我们的宇宙中占主导地位。但是由于测量膨胀速率以及减速度需要精确地测量宇宙尺度上遥远的天体，哈勃常数一直没有得到准确的测量，减速度更是难以测量。型Ia超新星是宇宙尺度上的天体，同时又可以作为标准烛光，所以直到几年前减速度才被发现原来应该是加速度。
其实，即使当宇宙学界的主流认为宇宙是减速膨胀的时候，已经有一些人认为宇宙中应该有很大一部分能量我们至今还没有观察到，就是所谓的暗能量。这种暗能量的一个特别的形式是真空能，真空能是相对论性不变的，所以为爱因斯坦的宇宙学常数提供了一个物理上的起源。根据暴涨宇宙论，宇宙在早期经过一个极快的加速膨胀时期，这个时期直接导致后来的宇宙在空间上是平坦的。爱因斯坦理论要求，一个空间是平坦的宇宙中的能量密度必须达到一个临界值。可是，到了八十年代末，对于许多人来说，物质所含的能量密度（包括所谓的暗物质）没有达到临界密度，所以有些人推测宇宙中应该存在一种暗能量，这种暗能量的状态方程不同于物质的状态方程。特别地，暗能量的压强是负的，从而导致斥力而引起宇宙加速膨胀。
宇宙学观测得到的暗能量的能量密度当然非常小，占总能量密度的百分之七十左右，也就是每立方米有一个质子。用自然单位制，能量密度的量纲是能量的四次方，暗能量所对应的能量是一千分之一电子伏特。
暗能量如果是宇宙学常数，那么能量密度要么是不变的，要么变化很慢。宇宙学常数这个问题是个非常老同时非常困难的问题。自从量子场论被确立为描述除了引力所有其它相互作用力的理论之后，人们一直为一个基本问题所困惑：量子场论中存在零点能，这个零点能是无限大。在讨论粒子相互作用的时候我们可以忽略零点能。但任何形式的能量都和引力耦合，零点能也不例外。毫无疑问，物理世界中和引力耦合的零点能非常小，不然我们早就能通过引力现象观察到零点能了。消除无限大零点能的办法是引入最小距离，如果这个最小距离是普朗克长度，所得到的零点能非常大，与观测值差了120个量级。用能量来对比，也差了3 0个量级，这就是宇宙学常数问题。
自从98年的暗能量的直接观测以来，新的实验如WMAP对暗能量有间接的支持。这几年来，实验和数据分析的工作不断出现，理论模型当然更多，可惜至今还没有一个为多数专家接受的理论。理论上的困难毫不奇怪，因为暗能量的问题涉及到基本理论的最基础的部分。仅仅从最简单的理论估算与实验值的巨大差别这一点，我们就能得出结论：我们对量子场论和引力的结合是多么的无知。
尽管理论上还存在巨大的困难，研究超弦的人已经开始提出弦论中的暗能量模型。一种观点认为，既然暗能量的密度和临界密度接近，那么暗能量本身就应该和宇宙的尺度有关。用我们前面解释过的全息原理，可以将暗能量与宇宙尺度联系起来。一个简单的看法是，如果我们认为暗能量就是零点能，这个零点能对应的短距离截断（紫外截断）不能任意地小，最小值应该由视界的尺度决定，而后者是红外截断。如果紫外截断太小的话，给定的红外截断之内就可能形成黑洞，从而用来计算零点能的方法也就失效。当然，这只是一个简化后的图象，真正的机制还有待发现。
另外一个模型与上面的观点完全相反，认为暗能量的大小是随机的，我们观测到的值之所以这么小是因为人类的存在，这就是所谓的人择原理。人择原理的应用需要假定一些物理常数如宇宙学常数不是真正的常数，而是可变的，这样，宇宙中存在许多不同的区域，每个区域中的一些物理常数与其它区域中的不同。如果要产生类似人类这样的智慧生物，物理常数不能非常任意。温伯格在八十年代末做过一个研究，假设星系的存在是产生智慧生物的前提，那么要形成星系就会给宇宙学常数一个很大的限制，他的计算结果是，宇宙学常数不能超过临界密度的一百倍。和量子场论的计算结果相比较，这是一个很好的结果了。弦论能不能为人择原理提供一个应用的场合？最近的一些研究说明不但可以，而且是目前为止人们所知道的最理想的应用人择原理的理论框架。弦论中的这些发现可以用一个技术名词来概括，弦景观。这个图象说，弦论中存在许多许多不同的"真空"，这些真空是一个极大的景观中的局域极小。弦景观类似一个山脉，有山峰和山谷，而极小就是山谷，在一个山谷的最低点，宇宙学常数的值和另一个山谷最低点的值不同，并且，这些值可以无限地接近我们观测到的值。
如果相信弦景观，我们就必须研究这个景观的大小，有多少山谷，宇宙学常数以及其它物理学常数在这些山谷中的分布，然后找出那些物理学常数很接近我们物理世界的山谷。这么做并不能保证我们能够用弦论作出一些精确的预言，因为很有可能存在一些非常类似我们的世界的山谷，这些山谷只是在不可观测的微小细节上与我们的世界不同。真是这样的话，弦论就会有一个悲观的前景。如何避开这个黯淡的前景将是弦论的发展动力之一。
去年公布的WMAP小组对微波背景辐射的分析结果昭示了精确宇宙学时代的来临。通过对微波背景辐射的各向异性的更为精确的观测，人们第一次将许多重要的宇宙学参数确定到只有百分之十的误差范围内。除了支持暗能量的存在之外，这个实验在很大程度上检验了暴涨宇宙学的预言。现在达到的共识是，暴涨宇宙学对微波背景辐射以及早期密度涨落的预言是正确的，而后者与宇宙大尺度结构的形成有直接关系。
宇宙在非常早的时期有一个暴涨阶段，在这个阶段中宇宙被一个缓慢变化着的标量场能量所主导，从而快速地膨胀。在膨胀的同时，标量场的量子涨落导致宇宙空间的曲率涨落，并且因为加速膨胀的关系被固定了下来。在暴涨结束后，这些涨落逐渐地进入我们的视野并且引起物质的成团以及微波背景辐射的各向异性，后者的具体特征与暴涨时期的动力学有关，当然也与后来的宇宙演化有关。所以，我们可以从微波背景辐射的各向异性读出极早期的宇宙历史，特别是引发暴涨的基本标量场的具体动力学。当然，目前的观测还不足以让我们确定关于标量场的太多的参数。有一点可以确定，这是一个慢慢滚动的标量场－标量场在暴涨时期沿着势能曲线作缓慢的滚动。
慢滚的标量场在粒子模型中非常特别，因为标量场的势能中必须含有很小的无量纲参数，这在粒子模型中是不自然的，人们常常将这类问题称作微调问题。这个自然性问题一直是一个没有解决的问题。最近，有人在弦论中成功地构造了满足微调条件的标量场，但是这各构造还是很特别，也就是说构造本身就带来一个自然性问题。
除了解决暴涨标量场势能的自然性问题之外，弦论还需要面对的一个问题是，今后的微波背景辐射的更为精确的观测有没有可能揭示一些关于量子引力的信息以及弦论效应的信息？近年来已经有了一些研究，例如，暴涨时期的快速膨胀可能放大了非常小的距离上的物理效应，使得宇宙大尺度结构的关联函数以及微波背景涨落的关联函数偏离了"标准"暴涨模型的预言。作者曾经和学生一起计算过时间与空间的不对易性对微波背景辐射的影响，发现这种
影响可能已经在WMAP实验的结果中体现出来了。
宇宙学毫无疑问是将来检验弦论是否是一个正确的理论的重要领域之一，也许是最重要的领域，所以，我们在未来的10年到20年中会目睹弦论与宇宙学交叉研究的飞速发展。
5．总结
我们上面大略地描述了近几年来弦论在一些方向上的发展，由于空间的关系，还有若干有趣的发展没有提及。重要的不是面面俱到地总结各方面的发展，而是透过某些发展看到未来的潜在发展方向。当然，预言科学的任何一个学科的未来发展是危险的，因为科学史告诉我们最重要的发现往往是不可预见的。尽管如此，一些重大的未来发现还是可以从已经存在的一些线索中看到。坦率地说，唯一让作者有信心的方向就是弦论宇宙学，或者更广义地说，微观物理在宇宙学中的应用和验证。无论是暗能量问题，还是暴涨宇宙时期的微观物理过程在宇宙范围中的体现，在今后许多年都将是弦论学者和宇宙学家以及其它相关领域的研究者们的热门研究课题。
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/8116574103.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。
时空本质属性假设与模型简述
时空本质属性假设与模型简述 吴克利 摘要 所有的物理研究都指向物质、空间和时间之间存在着深刻的联系，因此有理由认为它们是同源同质的。本文认为宇宙间的所有事物包括时 空的本质都是一种电磁关系。三维空间是由“微弦圈”规则振荡形成的 微弦圈振荡波，而时间是波振频率相隔的度量。以此建构的模型能很好 描述黑洞、白洞、宇宙大爆炸、宇宙膨胀等困难问题。根据模型推断， 我们观察到的宇宙大爆炸并非整个宇宙的起源，而是宇宙局部多时空的 白洞“喷发”制造时空时留下的背景辐射。所有粒子都由构成时空的最 小单元“微弦圈”耦合叠加而成，黑洞将空间的基本单位微弦圈拉伸并 吸收转化为物质；白洞是黑洞的另一时空的表述，它将物质转化为时空。 人们所推测的暗物质和暗能量也许就是时空存在本身。 关键词：时空，本质，宇宙，黑洞 PACS：98.80.Cq，11.25.àw，04.40.Nr，12.10.àg 1 引言 物理学所有理论都是基于空间时间概念背景下发展而来的，但对空间和时间却没有本质性的概念描述。广义相对论的出现，让人们对时空的认识发生了根本性飞跃，认识到物质、空间和时间之间存在着深刻的联系[1]。基于这种思想，并在弦理论的启发下，本文认为空间是由“微弦圈”（有别弦理论的“超弦”）规则振荡形式的一种波的物质存在，而时间是波频率相隔的度量。以此构建的宇宙模型将能很好描述和解释当前宇宙学中包括黑洞、白洞、宇宙大爆炸等诸多困难问题。 特别要说明的是本文提出的“微弦圈”，是极大有别于弦理论中定义的弦
的。弦理论认为的弦是一维的，各种不同的粒子是一维的弦在空间不同振动模式，而本文描述的“微弦圈”是空间的基本单位，并且是三维的振动模式（因其振荡形成球面形成二维，振荡频率间隔即存在时间是一维的，详见如下模型描述）。 2 模型描述 2.1空间时间本质属性 三维空间可以认为是由“微弦圈”规则振荡形成的微弦圈振荡波（可以认是能量极低的电磁波，电磁波中的波粒子是由相当数量的微弦圈叠加而成的），而时间是波频率相隔的度量。禹业茂的《空间概念的探讨》指出物质与空间, 存在质空转换关系函数，并得出了转换公式和转换系数[2]，这也进一步说明空间和物质存在统一性，都可以归入电磁转换效应中。 2.2“微弦圈”模型与时空基本单位值 “微弦圈”就像是一个极小橡皮圈，可以绕其圆心以极高频率作不确定旋转（任意单位角度振荡），产生不同相位。可以用一个圈“○”表，因不确定旋转，所以在某一时刻或不同角度下其相位是不同的（如：“︱”、“○”、“—”、“０”等）。相位为“︱”表示“实弦”，“○”表示“空弦”（用于表示同样角度下弦的不同状态属性），因此“微弦圈”在极高频率振荡过程，表现出了不同的状态属性变换，如类似于电磁的转换。 因“微弦圈”旋转会形成一个概率球面，即所有的“实弦”相位的集合为一个球面，可以称为“实弦球面”，“空弦”的集合为一个“空弦球面”。因此“微弦圈”在振荡下是二维的球面。弦球面的直径为空间长度最小单位长度；微弦圈的相变所需的时间间隔就是时间的最小单位值。 “超弦球面”点阵构成空间，物质由“微弦圈”耦合而成，能量与“微弦圈”
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
《自然辩证法》提纲及论述创新
《自然辩证法》复习提纲 导言部分 1、自然辩证法的中心线索、研究内容和学科性质是什么？ 第一章自然观 1、古代朴素自然观、近代机械唯物主义自然观的特点、科学基础和局限性。 2、机械唯物主义自然观产生的历史必然性和历史作用。 3、辩证唯物主义自然观创立的自然科学基础和基本观点是什么？ 4、人与自然的对象性关系主要表现在哪些方面？ 5、全球生态环境问题和马克思主义生态观。 第二章科技观 1、科学和技术的内涵和特征是什么？ 2、科学技术发展的内在矛盾及其在科研中的作用。 3、科学技术发展的社会因素有哪些？ 4、什么是科技体制，科技体制有哪些类型？ 第三章方法论 1、分析与综合、归纳法与演绎法、类比等逻辑方法的客观基础、作用及局限性。 2、直觉思维的特点和作用。 3、什么是科学观察？科学仪器的引入对观察方法的发展有什么意义？ 4、科学实验及其作用是什么？模拟实验的特点及类型。 5、为什么说“观察渗透理论”。 6、什么是科学发现的机遇？怎样才能抓住机遇？ 第四章社会论 1、科学技术的社会规范是什么？为什么必须坚持科学精神？ 2、马克思主义科技价值观的基本观点是什么？ 3、为什么说科学技术不能决定社会的一切？如何看待科技的负面效应？ 4、两种文化的争论有什么意义？自然科学和人文社会科学是什么关系？ 第五章创新型国家 1、熊比特创新理论的基本观点。 2、技术创新的涵义及一般过程是什么？ 3、为什么企业是技术创新的主体？自主创新有什么现实意义？
同济大学《自然辩证法》2009-2010期末 辨析题 1．技术创新离不开科学研究，所以科研机构是它的主体。 2．技术设计主要考虑经济实惠与合理美观，工程安全环保等问题在于施工监管。 3．系统从外部获得物质能量就能导致进化。 4．人工自然是人类文明进步的标志，因此人工化程度越高，人与自然的关系越趋合理。 5．科学侧重的是真理性探讨，因此有正误之分：而技术是为人类造福的，因此有优劣之别。 6．观察渗透理论就是说“你想看什么决定着你能看到什么”。 7．理想实验因为是一种逻辑推理，所以不能作为科学检验的依据。 8．科技的发展难以预期，所以科学家不应当对科技的应用负责。 论述题——阅读下面的短文，结合自然辩证法的相关内容给予评析。 今年10月下旬，有一则小道消息出现在互联网上，迅速在理论物理学家中间流传，说是法国有一对孪生兄弟，发表了至少4篇狗屁不通的“理论物理学”论文；还在同一天，在电视摄影机前，获得法国名牌大学的物理博士学位…… 这对孪生兄弟姓波格丹诺夫（Igor＆GrichkaBogdanov），今年53岁。年轻时在大学读应用数学，之后从事电视科普工作和科幻小说写作，拍摄了一些深受欢迎的科普、科幻节目，成为电视明星，被法国公众视为天才的“爱因斯坦兄弟”。1991年他们出版了一本畅销书《上帝与科学》。据说他们在写作这本书时来了灵感，对宇宙创生过程有自己的想法，想到大学进一步深造。但按某些人的猜测，由于这本书的作者介绍中称兄弟俩获得了博士学位，波氏兄弟害怕被人揭穿，才急着去拿一个博士学位。 不管怎样，兄弟俩在1990年代初先去法国波尔多大学读了两年书后，转学去了法国名校布尔戈尼大学一个研究理论物理的著名研究小组。1999年，弟弟以最低等级通过答辩获得了数学博士学位，哥哥则未能通过答辩，但答辩委员会决定，如果他能在学术刊物上发表3篇论文，可以再试一次。在去年和今年，波氏兄弟在理论物理刊物上发表了5篇论文。今年7月，哥哥也以最低等级通过答辩获得了物理博士学位。 兄弟俩本来也没打算在学术界混下去，仍去干他们的老本行——拍电视。他们的论文多发表在级别不高的学术刊物上，本来也会像绝大多数科学论文一样无人注意。但在10月下旬，美国匹兹堡大学一位物理学家在一封电子邮件中向同事透露了波氏兄弟获得博士学位的内幕，迅速成了物理学界的重大新闻——这个“内幕”有一些不实之处，所以该物理学家后来向波氏兄弟公开道歉。 许多人听到传闻后才把波氏兄弟的论文找出来看个究竟。这些论文研究的是宇宙大爆炸之前的状态，属于量子引力论、超弦理论的领域。据专家评论，它们其实是用一些术语拼凑起来的毫无意义的垃圾论文。这很容易让人联想起几年前轰动一时的索卡尔事件。在1996年，纽约大学理论物理学家索卡尔向后现代派文化研究著名杂志《社会文本》投了一篇用量子引力论研究社会文化的论文。论文发表后，索卡尔在另一杂志上宣布那是一个恶作剧，论文是用量子力学的术语拼凑起来的毫无意义的垃圾，目的是为了让这份对科学一窍不通却喜欢抨击科学的后现代派代表刊物出出丑。 现在理论物理学家们不能不担心，波氏兄弟事件会不会也是个恶作剧，是人文学界人士对索卡尔事件的报复，目的是要出理论物理学的丑？10月23日，美国加州大学河边分校理论物理学教授贝伊兹即以《物理学被逆向索卡尔恶作剧骗了？》为题，在互联网物理研究讨论组公布此事，引起激烈讨论，至今已有近200个跟帖，包括波氏兄弟、索卡尔以及索卡尔的主要论敌之一、科学知识社会学（一个认为科学知识只是文化建构而非反映客观存在的社会学流派）的头面人物柯林斯都参与了讨论，波氏兄弟并多次答复了对其论文的质疑。美国《纽约时报》、英国《独立报》、《自然》杂志等报刊也纷纷报道了这一事件。 争论的焦点是，波氏兄弟是恶作剧还是真诚地在做科研？他们的论文是毫无价值的垃圾，还是虽然有不少错误但毕竟也算是正经的论文？这样的论文怎么会通过审稿发表？他们怎么能靠这样的论文获得博士学位？等等。媒体更感兴趣的是，理论物理学的研究是否已玄到了这种程度，以致连理论物理学家自己都难以分清垃圾论文和正经论文？
空间维度简述
脑洞大开：从零维到十维空间如何在纸上用手绘出来 声明：本文中的理论均依据弦理论物理的知识，结合简单的图示和通俗的道理来解释，不是信口开河，具有科学依据。 事情是这样的，这周我给学生讲3dmax的课。为了让学生了解三视图我就顺便科普了一下什么是零维、一维、二维、三维空间。讲完不过瘾，感觉一支粉笔一块黑板讲维度是一件很爽的事情，那么.........接下来 请同学们打开脑洞，看我用一支笔几纸来为同学们展开从零维空间到十维空间之旅吧！ 零维 让我们从一个点开始，和我们几何意义上的点一样，它没有大小、没有维度。它只是被想象出来的、作为标志一个位置的点。它什么也没有，空间、时间通通不存在，这就是零维度。 一维空间
好的，理解了零维之后我们开始一维空间。已经存在了一个点，我们再画一个点。两点之间连一条线。噔噔噔！一维空间诞生了！我们创造了空间！ 一维空间只有长度，没有宽度和深度。 二维空间 我们拥有了一条线，也就是拥有了一维空间。如何升级到二维呢？很简单，再画一条线，穿过原先的这条线，我么就有了二维空间，二维空间里的物体有宽度和长度，但是没有深度。你可以试一试，在纸上画一个长方形，长方形部就是一个二维空间。
这里，为了帮助大家方便理解高维度的空间，我们用两条相交的线段来表示二维空间。
为了向更高的维度前进，现在我们现在来想象一下二维世界里的生物。因为二 维空间没有深度（也可以理解成厚度），只有长度与宽度，我们就可以将它理解成“纸片人”，或者是扑克牌K.J.A Q里的画像。因为维度的局限，这个可怜的二维生物也只能看
到二维的形状。如果让它去看一个三维的球体，那么他只能看到的是这个球体的截面，也就是一个圆。 三维空间 三维空间大家肯定熟悉，我们无时无刻都生活在三维空间中。三维空间有长度、宽度与高度。
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
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
质量概念的发展历程
质量概念的发展历程 第一章质量概念的提出 1、经典力学中质量概念的提出 以牛顿第二定律所表现出的质量称为惯性质量.定义是给概念规定界限的判断，而定律是几个概念之间彼此的本质联系，它所反映的是客观规律．牛顿第二定律正是这样的客观规律，它所反映的是力、质量和加速度这三者之间的本质联系.实际上，人们所以能总结出牛顿第二定律，就是因为人们预先就对力、质量和加速度这三个物理量的概念和测量方法已经有所掌握，然后才能通过实验找出它们之间的内在联系．也就是说，质量的概念及测量方法并非来源于第二定律，而是先于这个定律．第二定律建立过程的历史事实正是如此，早在牛顿第二定律建立之前，人们（包括牛顿）已经用“物质之量”给质量下了定义，并已凭经验知道了通过比较重量来量度质量的方法.牛顿在其著作中说：“物质的量是质的量度，可由其密度与体积求出.”然而，质量没有定义之前又那来的密度？显然，牛顿这个定义等于没有说.“物质的量”往往是指物质多少或物质数量一类的东西，由相对性原理的制约，物质多少这样一个概念本身无法再进一步给以定义，物质的概念被认为是不说自明的.正是这个原因，在牛顿力学中寻找不到“物质的量”与惯性质量之间的任何联系，使得“物体所含物质越多，物体惯性越大”这条经验定律一直游离于物理学之外.也正是这个原因，物理学上的质量除了牛顿定律所赋予它的意义外不再有别的意思，质量乃是阻挠速度变化的量度.这又要回到用定律来定义质量上来，让人很不满意. 2、横向质量与纵向质量问题 约瑟夫·汤姆孙在1881年承认一个带电的物体比一个没有带电的物体更难加速，因此静电能量表现成某种电磁质量，增加了物体的机械质量.之后威廉·维恩（1900）和 Max Abraham （1902）认为一个物体的总共质量与它的电磁质量相同.因为电磁质量取决于电磁能量，维恩所提出的质能关系是. George Frederick Charles Searle 和汤姆孙也指出，电磁质量随着物体的速度而增加.亨德里克·洛伦兹在他的洛伦兹以太理论的框架中承认这个说法.他将质量定义成所用力与加速度的比值而不是动量与速度的比值，因此他必须区分横向质量（）（当物体运动的方向与加速度相同或相反）和纵向质量（）（当物体运动的方向与加速度垂直）.只有当加速度与物体运动的方向垂直时，洛伦兹的质量才会等于现在被称作相对论性质量的质量.
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？
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。
超弦理论、M理论和量子力学 Flash
超弦理论、M理论和量子力学Flash NOVA弦理论科普片之一。其它的有兴趣自己上网搜吧。 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协和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象量子和夸克等等已经溶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，象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。超弦理论到底是什么呢?简单说来，我们可以这样来定义超弦理论： (1)超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； (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冾的框架里； (4)超弦理论有可能解决一些长期困绕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，微观世界并不象我 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。现在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 的基本单元不是象电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子，这些看起来象 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。 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，严格了导出了宏观物 体黑洞的熵和辐射公式，毫无疑问地确立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。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，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。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
6、量子力学与黑洞
6、量子力学与黑洞 广义相对论结合量子理论的产物，现在还没有最终成形。就已经掌握的科学理论来说，这种理论中，即便考虑电磁力、强力和弱力，也依然会产生黑洞——事实上，奥本海默最初计算出恒星的黑洞演化时就已经考虑了这些因素了。辐射粒子，准确地说是因为黑洞视界面附近的量子隧穿效应。在量子世界中，没有什么是绝对的，所以不存在绝对只吸不出的物理。 克尔黑洞的结构比史瓦西黑洞复杂了许多。 在克尔黑洞的最外层，由于黑洞旋转产生的对周围时空的拖曳效应（伦斯——梯林效应），因为存在着一个判断物体是否可以静止于时空中的静止界面。静止界面外的物体，可以通过推进器等装置在被拖曳的时空旋涡中相对于极远处的观测者静止不动，而在静止界面内，可以断定，物体一定会被黑洞的强大引力拖动，开始旋转。在这个界面内部，和史瓦西黑洞一样存在着视界，但是它和史瓦西视界不一样，比它更加复杂，因为在这里，视界分为两个：内视界和外视界。外视界是物体能否与外界通讯的分界面（这里使用的是霍金对视界定义的升华：绝对视界的定义。关于绝对视界和显视界，我们会有一个探讨），而内视界是奇点的奇异性质能否影响外界的分界面。也就是说，进入外视界的物体，必定会被吸入奇点，然后本摧毁，但是还可以在达到内视界以前享受一段相对“安宁”的日子，而一旦进入了内视界，那么任何物体都会在内视界中奇点奇异性质的面前屈服，在达到奇点以前便被摧残待尽。在外视界和静止界面之间，有一个相对十分广阔的区域，叫“能层”。在能层中蕴藏着黑洞旋转时的旋转能。从理论上，可以在静止界面外建立一个空间站，然后利用抛物投射来提取黑洞的旋转能，得到几乎无穷尽的能源（因为大型黑洞的寿命几乎可以肯定比质子的寿命长）。此外，在能层中，由于黑洞旋转带来的拖曳会将时空撕裂，产生虫洞。在早期引用量子效应来处理黑洞的时候，第一个选择的就是旋转黑洞，而且得到了第一个量子黑洞定理：旋转黑洞辐射。后来在霍金的推动下成了霍金辐射。在内视界内部，和史瓦西黑洞一样有一个奇异性质汇聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那样是一个奇点，而是一个独特的奇异环，一
超弦理论
超弦理论、M理论和黑洞物理学 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，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。就我们现在的认识水平，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。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。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。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。