超弦——大自然的琴弦.pdf

1 超弦——大自然的琴弦一、弦理论的基本思路概要记得有一位哲学家说过，你要知道梨子,, ，要知道原子的组织同性质，就得实行物理学和化学的实验 现代科学告诉我们， 包括梨子在内的世界万物都由原子所组成，而原子又由电子与夸克所构成然而，根据最新的超弦理论，所有这些粒子实际都可以分析为超微小尺度上振动着的一根闭合的弦作为终极实在的不是点状的粒子， 而只是细线状的小环 被人们认作粒子的， 实质上都像一根无限纤细的橡皮筋，一根振荡、跳动的丝线在超弦理论中，这种作为宇宙万物结构与功能的最小单元称作弦 图 1 就是这样一种示意图，一个普通的梨子，通过逐级分解（并放大） ， 可以显示出越来越小的结构组分，最终归结为处在一定振动方式上的弦科学家以追寻各种自然力的统一和物质基本组成的统一为崇高理想正因为如此，爱因斯坦才肯耗费整个后半生的精力艰难地探索统一场论只是当时时机还不够成熟， 人们对四种基本相互作用了解得太少，强力与弱力都尚未登上历史舞台爱因斯坦是过早地走到了他的时代的前头不过在50 多年之后，爱因斯坦的统一理论的理想又重新成为注意力的焦点现在越来越多的学者愿意相信， 弦理论最有可能提供囊括一切自然力和物质的解释框架。

例如，弦理论认为，观测到的基本粒子性质（见下文表1）和四种基本的相互作用的表现方式（见下表 2）无非表明，作为宇宙最小结构与功能单元的基本弦存在多少种不同的振动模式弦理论的研究，使人不能不想起古希腊毕达哥拉斯的研究传统众所周知，琴弦都有共振频率， 即弦所倾向的振动频率， 也就是人耳所听到的各种音调和和声现在，弦理论里的环也将会有类似的性质毕达哥拉斯学派认为，自然界的秩序之所以富有意义， 是因为自然规律中包含数学核心宇宙基本结构的奥秘就梨子原子电子 质子与中子夸克弦弦图 1 普通一个梨子的内部结构组分，可以从原子一直分解到电子、夸克和弦2 在于数的和谐， 而按柏拉图的解释特指基本对称性传说毕达哥拉斯等人是在研究声乐和器乐知识的过程中发现这一点的他们发现几条同质弦当长度互成简单整数比，在振动时将发出和谐的声音毕达哥拉斯学派确信，天体在运行时，因体积、速度及相对距离的差异而各自发出特殊的音调，从而造成和谐的 “天体乐章” 这一思想为开普勒发现行星运动三定律带来决定性的启示，这在科学史上是有案可稽的毕达哥拉斯的研究传统在现代原子物理和粒子物理学中重新发挥有益的作用瑞士学者巴尔麦在1884 年发现氢光谱系列的数字规律 422mmb。

对此，美国学者韦斯科夫在《 20 世纪物理学》一书中评论说： “毕达哥拉斯的观念在这里再生：原子的频率谱代表着一系列特征值，它好像是那个原子的典型 ‘谐音’ ；‘天体谐音’重新又出现在原子世界之中” 1980年代以后，原子世界的谐音又在夸克的层次上重新出现 弦理论中的弦在共振频率处的振动，不是产生耳朵所能欣赏的音乐， 而是生成一个基本粒子， 粒子的质量和力荷的大小， 相应的是不同类型的基本自然力，都由基本闭合弦的共振模式所决定二、从原子到夸克在探讨宇宙基本结构方面， 古希腊有两大研究传统至今仍影响着现代自然科学的发展道路，除了上文所说的毕达哥拉斯传统（即确信“数是万物之本原”）之外，还有原子论传统这两大传统在一定程度上是相互渗透与融合的大家都很熟悉的是， 由公元前 5 世纪的古希腊哲学家留基伯与德谟克利特师徒俩所首创的原子论世界被认为是由原子与虚空构成的物质由极其微小的、不可再分的最终单位原子所组成，原子是永远不灭的， 各有一定形状、 大小与质量世界上复杂多样的事件， 被认为从根本上都可以用原子的不同排列和运动来解释，正如无论古希腊的悲剧或喜剧都是用24 个希腊字母写成的那样对于近现代许多颇为成功的科学理论而言，原子论这一研究传统的影响几乎无所不在。

近代科学中如道尔顿的化学原子论、麦克斯韦与玻耳兹曼的气体分子运动论，现代科学中如普朗克的量子论、 爱因斯坦的光子说、 玻尔的原子模型， 乃至整个粒子物理学，都没有例外以 1932 年查德威克发现中子为契机，海森伯与伊凡宁柯于当年独立地提出了原子核由质子与中子组成的模型，再结合玻尔的原子模型， 周期表上诸多元素的原子就都可以被成功地归结为电子绕核运行的小型太阳系于是科学家们长久以来梦寐以求的自然界“物质的统一”似乎有望了有一段时间，物理学家真以为电子、质子、中子就是希腊人所追求的最终的不可分的“实在”了可是，到3 1964 年盖尔曼却又进一步提出夸克模型，认为质子、中子是由夸克所组成的并且在 1968 年，斯坦福直线加速器中心的实验家就初步证实了盖尔曼的猜想质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成于是拥护原子论传统的科学家又高兴起来，宇宙万物似乎都可以还原为电子、上夸克和下夸克的组合当然，还应当补充第四种粒子中微子，因为1956 年雷恩与柯万找到了确凿的实验证据 这四种粒子都应当看作基本粒子，因为从实验上完全看不出它们还能分解为更小单位的任何可能性可是，看来科学家追求最大简单性的良好愿望却又要落空了。

因为在宇宙射线中和在高能粒子加速器中新的粒子层出不穷，粒子的清单越来越长了 以上四种基本粒子中的每一种， 都已发现了与自己同类的新成员： （1）与电子性质相似的还有子和子； （2）相对应地，中微子也分三种； （3）夸克还有另外四种——粲、奇、 顶、 底夸克 （而且每一种夸克又分为三种用来说明强力作用方式的“色”荷，因此总共可细分为18种夸克） 不过，物理学家的使命正在于透过物理世界复杂纷乱的现象， 清理出秩序和规律 表 1 所列举的正是物理学家对杂多的基本粒子进行分辨和归类的一种模式， 这是原子科学家们多年艰辛的调查研究成果的结晶实物粒子正好分成三组， 通常被称为族 每一族包括 2 个夸克和 1 个电子或电子的伙伴，以及相对应的中微子第 1 族第 2 族第 3 族粒子质量粒子质量粒子质量电子0.00054 子0.11 子1.9 电子中微子1） 变换为它的倒数（1/K） ，结果完全一样3）回头考虑大小半径互为倒数的对偶性，IIA 与 IIB 型理论正好在这种对偶性下实际发生了转换，杂化O 弦与杂化 E 弦的关系也是这样4）惠藤与霍拉瓦还分别发现， 强耦合的 IIA 型弦及杂化 E 分别与十一维的超对称引力存在对偶关系。

尽管那个统一的十一维超弦理论的具体特性还不清楚，惠藤还是暂时定名为M 理论，这个英文字母暗含“谜”的理论、诸理论之“母”和“膜”的理论之意它确实为把 5 个弦理论结合在一起 （外加一个十一维超引力论） 提供了基础图 3 把对偶性包括进来， 5 个弦理论和十一维的超引力以及M 理论就在一个统一框架下结合在一起了武汉大学哲学系桂起权 山西大学哲学系贺天平 ）。