究竟什麼是弦理論?

2021-02-08 宇宙天文

究竟什麼是弦理論？我們通過以下一些問題帶你認識21世紀最偉大的理論之一。

【1. 什麼是弦理論？】


一維的弦構成了宇宙萬物。

弦理論的基本概念其實非常的簡單。回到古希臘時期，人們就一直在思索著物質是由什麼構成的？如果我們無限地分割某個東西，我們會得到一個最基本不可在分割的東西嗎？我們現在知道，如果我們這麼做的話，我們會得到分子、原子、亞原子。但這是終點嗎？弦理論家認為不是。所有的我們今天所知道的基本粒子，比如電子、夸克或中微子，都是由一種弦組成的。正如小提琴琴弦不同的振動方式可以奏出不同音高一般，基本粒子也是通過弦的不同振動狀態變成電子或夸克的。

【2. 是誰提出弦理論的？】

弦理論有一個不尋常的歷史。在1960年代，Gabriele Veneziano想要知道在原子核內的粒子的行為，以及構成中子和質子內的夸克是如何束縛在一起的。他找到了一個方程，精確地符合當時的數據，但他並不是太清楚他的數學方程究竟是什麼意思。在他之後Leonard Susskind和Holger Nielsen 等人詳細分析了該數學方程，他們發現方程可以描述振動的弦。因此，弦理論完全是研究強核力的一次意外發現。

【3. 弦究竟有多小？】


弦的大小。

對弦的最直接驗證方法是利用一個足夠強大的顯微鏡，去看在原子裡面是否有弦。但問題是弦是非常小的，大約10^-35米，這是什麼概念？我們知道構成我們身體的原子是非常小的，如果把原子放大到可觀測宇宙那麼大，同時把弦也放大到同樣的倍數，那麼弦只有一顆樹那麼大。因此想要直接觀測弦那將是一個巨大的挑戰。

【4. 弦理論認為空間不止三維？】

左邊為費米子，右邊為玻色子。

在大多數情況下，你可能聽到的都是「弦理論」。但其實弦理論是從玻色弦理論發展到超弦理論。我們知道基本粒子包括玻色子（光子、膠子等）和費米子（電子、夸克等）。最早期的弦理論叫玻色弦理論，只包括了玻色子；而超弦理論（加入了超對稱性）不僅以弦的振動解釋了玻色子，還解釋了費米子。玻色弦理論認為空間維度為二十五維，超弦理論則必須在九維空間才合理。現在我們說起弦理論的時候都指超弦理論。弦理論的維度是從一個不可思議的公式推導出來的．

【5. 什麼是M-理論？】


M理論、五種超弦理論與超引力之間的聯繫。（© Wikipedia）

在1995年國際弦理論會議上，威騰在他的演講中證明，通過一個高維度的引入，本應無比複雜的超弦理論（九維空間）變成了簡單的超引力理論（十維空間）。正當與會者都以為他的結論已經是演講的高潮時，威騰說道：

「Oh，there is one more thing.」

在1990年代中期之前，物理學家找到了五種不同的弦理論，它們相互分離並沒有聯繫。而威騰在演講的最後指出，他發現這些模型之間存在一種所謂對偶性的關係網。這些對偶性顯示，所有這些模型本質上是只不過是同一基本理論的不同表述。他將這個神秘的理論命名為「M理論」。威騰的發現引發了「第二次超弦革命」。

【6. 什麼是膜？】


（© Wikipedia）

在九維的超弦理論中，基本單元是一維的弦。而弦理論家在求解十位空間內的超引力理論的方程式之後，發現基本的解是二維的膜（brane）。我們通常將這些東西命名為p-膜，比如 p = 1 的膜是弦，p = 2 的膜是面等等。

【7. 弦理論的目標是什麼？】

弦理論的目標是為了完成愛因斯坦開始的統一場論。我們知道量子力學和廣義相對論在微觀和宏觀尺度都出色的發揮著自己的作用，但是當我們試圖將它們結合的時候就會出現很多問題，而弦理論就是為了協調這兩個理論，將它們統一在一起。弦理論所要做的就是將我們所理解的物質、能量、時間和空間都統一到一個數學框架中，如此我們就可以用一個理論描述世間萬物。

【8. 弦理論遭遇的主要質疑是什麼？】

雖然弦理論可謂是最強大最艱深的一個理論，但它仍然遭受很多批評，其主要原因就是還沒有實驗能夠驗證，如果它沒有提出可驗證的預言，那麼我們就無法驗證它是對的或錯的。要知道，一個好的科學理論除了能夠重複舊理論的成功，解釋當前遇到的問題，更重要的是做出可檢驗的預言。

【9. 弦理論有做出預言嗎？】


左邊為標準模型粒子，全部都已經發現；右邊為超對稱粒子，還未發現。（© DESY）

弦理論的確有一些預言，比如超對稱。超對稱理論認為每一個基本粒子都有一種被稱為超對稱夥伴的粒子與之匹配。所有的費米子（比如夸克和輕子）都有一個玻色子的超對稱夥伴（比如超夸克和超輕子），以及所有的玻色子（比如光子和膠子）都有費米子超對稱夥伴（比如光微子和超膠子）。雖然大型強子對撞機（LHC）無法直接探測到弦（因為太小了，LHC遠遠達不到所需要的能量），但是LHC可以探測到這些超對稱粒子。如果找到這些粒子，雖然還不能直接證明弦理論是對的，但至少證明我們在對的道路上。

參考文獻

【1http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/11/10.1063/PT.3.2980

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