弦理論的基礎(chǔ)

1984年，格林和施瓦茲提出了弦理論，這個革命性的理論修正了我們對宇宙超微觀性質(zhì)的理論描述，隨著一批批物理學家的前赴后繼，使得該理論和愛因斯坦的相對論和量子力學相容了。弦理論的出現(xiàn)并不是一帆風順的，它經(jīng)歷了兩次作者稱之為“超弦革命”。

第一次是發(fā)生在1984年到1986年，是“第一次超弦革命”，在那3年里，全世界的物理學家們?yōu)槌依碚搶懥私磺Ф嗥芯空撐?。弦理論被譽為當?shù)刈顐ゴ蟮睦碚撝?，但此后又?jīng)歷了一系列質(zhì)疑和低谷。

第二次是1995年，惠藤在南加利福利亞一次物理學大會上發(fā)表演講，提出了一套新的方法，有望克服以前所遇到的理論障礙，全世界的超弦理論家們又一次看到了希望的曙光，我們稱之為“第二次超弦革命”。

弦理論有幾個基本理論

1：宇宙的基本構(gòu)成要素不是點粒子，而是像細橡皮筋的上下振動著的唯一絲線，各種不同的粒子只是這個線圈的不同振動模式。

2：宇宙中所有的物質(zhì)和力都來自于這種振動的線圈，我們稱之為：弦，它非常非常的小，平均大約是普朗克長度的尺寸，大小是原子核的一萬億億分之一（小數(shù)點后19個零）。

3：弦是構(gòu)成宇宙萬物真正的“原子”，可以稱之為“基元”，比它再小的物質(zhì)已經(jīng)沒有什么意義。

弦與粒子質(zhì)量的關(guān)聯(lián)是很容易理解的。弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現(xiàn)象：當我們用力撥動琴弦時，振動會很劇烈；輕輕撥動它時，振動會很輕柔。而依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能原理，能量和質(zhì)量像一枚硬幣的兩面，是同一事物的不同表現(xiàn)：大能量意味著大質(zhì)量，小能量意味著小質(zhì)量。因此，振動較劇烈的粒子質(zhì)量較大，反之，振動較輕柔的粒子則質(zhì)量較小。

依照弦理論，每種基本粒子所表現(xiàn)的性質(zhì)都源自它內(nèi)部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成，而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上是在相同的弦上彈奏著不同的“音調(diào)”。由無數(shù)這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。

在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性?，F(xiàn)在我們明白了，粒子的波動性就是由弦的振動產(chǎn)生的。

物理學家還發(fā)現(xiàn)，弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在著直接的聯(lián)系。同樣的關(guān)聯(lián)也存于弦振動模式與其它力的性質(zhì)之間，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強力也完全由它的振動模式?jīng)Q定。這里又涉及到了四種基本力。

宇宙中存在著各種類型的力，是它們把散沙般的基本粒子結(jié)合在一起，組成了各種各樣的物質(zhì)，并安排了宇宙間的秩序。這些力從本質(zhì)上都可歸結(jié)為四種基本力：引力、電磁力、強力和弱力。

這四種力的來源是不一樣的。引力源于物體質(zhì)量的相互吸引，兩個有質(zhì)量的物體間就存在引力，物體的質(zhì)量越大，引力就越大。電磁力是由粒子的電荷產(chǎn)生的，一個 粒子可以帶正電荷，或者帶負電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸。如果一個粒子不帶電荷，則不受電磁力的影響，不會感受到排斥力和吸引力。強力主要是把夸克 結(jié)合在一起的力，所以也叫核力。像電磁力一樣，也起源于電荷，不過只是夸克間的電荷，物理學家稱之為“顏色電荷”。弱力的作用是改變粒子而不對粒子產(chǎn)生推 和拉的效應，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。

四種力的相對強度以及作用范圍都有著巨大的區(qū)別。從相對強度上來說，假定以電磁力的強度為一個單位強度，則強力要比這個單位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到幾乎是可以忽略不計的：在微觀世界中，它只有電磁力的1040分之一！從作用范圍上來說，引力的作用范圍是宇宙范圍的；電磁力的作用范圍在理論上可以達到無限遠，但實際上，大多數(shù)物體正負電荷相互抵消，其外部都呈電中性；而強力和弱力的作用范圍則極小，只能在粒子范圍內(nèi)發(fā)生作用。

這四種強弱懸殊、性質(zhì)各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。

超弦的“超”

物理定律的對稱性

從138億年前的宇宙大爆炸開始，我們的就時刻在變，可以說是瞬息萬變，而我們假定主宰這些變化的定律是固定不變的，即使這些定律在變，也應該是非常緩慢的。物理學家們將這種物理定律不隨時間和空間的變化的性質(zhì)稱之為自然的對稱性。就像引力、電磁力、強力和弱力在不同的尺度上都應該具有一樣的規(guī)律一樣。

自旋

基本的粒子（如電子）能像地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。但電子并沒有表現(xiàn)出類似地球自轉(zhuǎn)一樣的規(guī)律。但是100年前法國人安培證明了磁性來自電荷的運動。后來物理學家們證明了電子既像地球一樣公轉(zhuǎn)，也會像地球一樣自轉(zhuǎn)，而且不僅在電子身上表現(xiàn)出這樣的特性，在其他三族物質(zhì)粒子中也表現(xiàn)出類似的特性。也就是在宏觀的世界中和微觀的世界中，我們觀察到的規(guī)律是一致的。

在弦理論的背景下，自旋與質(zhì)量和力荷一樣，也關(guān)聯(lián)著弦的振動模式。而且在所有弦振動模式中，一種沒有質(zhì)量的2-自旋，正是引力的標志性特性。哪里出現(xiàn)了引力子，哪里就有引力。這也證明了弦具有引力的特性。

超對稱性

1973年，物理學家韋斯和朱米諾發(fā)現(xiàn)超對稱性，從新構(gòu)造的弦理論中出現(xiàn)的那種新的對稱性，也能用于以點粒子為基礎(chǔ)的理論。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，把超對稱性引入到點粒子的量子場論框架中。隨著80年代中葉超弦理論的復蘇，超對稱性又在原理發(fā)現(xiàn)它的背景下出現(xiàn)了。超對稱性的出現(xiàn)，讓我們解決了包括費米子振動模式問題，也實現(xiàn)了引力的量子理論，超對稱性與弦理論的融合，從而實現(xiàn)了四種自然基本力在弦理論中的大統(tǒng)一。