超弦理论简介_完成爱因斯坦统一场论的构想

� 自由僚移” , 完全不注意宇宙中实际发生的是什么吗� 只要存在这种情况 , ,对物痊现象做数孚描拯就很受限 制。 ’例如 , 只允许用某种特殊形试的微分方程。 在基 础物理中用传统方法研究简单系统似乎可以这 样做, 但研究复杂系统时这样就太受限制了。 实际上, 、现在 为模拟物理学中的复杂性和自组织 , 化学和生物学已 提出� 基础物理的传统方法不够用 � 当解释存在新兴的定律时 , 问题变得待别尖锐� 有 鉴于此 , 按我的意思 , 定律都要和宇宙历史上的某一纪 元有关 , 只有当它出现手当时的系统中时 , 才能看做是 定律 。 所有的生物学定律都属于这种情况。 除非物理 世界已经产生某特殊状悉, 包括含有生命组织的欢态 在内否则这些定律使毫无意义。 我们无法解决这些定 律的性质与定律所涉及的索统的性质之间的纠葛。 对 复杂系统 , 状态定律所陷入的困境很可能远比我们己 经感受到的要深 。 、 · 我觉得大多数物理学家只把永恒、 超凡存在的那 些定律着做是 “真正”的 , 其杀的降格为第二性的 , 或导 出的。 这样便留下难以回答的问题 , 即 ,这些永恒的定 律来自何处。 许多科学家 已经在评论描迷物理世界时 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 的 “不合理 ”效用间题。 为什么宇宙的基本定律似 乎总能做简单精美的数学表述, 是这些定律特殊 , 还是 」 有某种合乎逻辑的理由 , 即 , 宇宙就是似这种方式构成 的�而且假如宇宙不得不以简单的数学为基础 , 它必须 使用那样一些特殊的数学关系吗 � 一旦爱因斯坦对它 做了表述 , 上帝在这件事情上还有选择的余地吗� 有些科孚家已提醒注意这样的事实 � 复杂结构 , 特 别是活的有机结构 , 一般很难按物理定律的精密数学 形式加以处理 。 假如世界上有这种途径 , 那就意味着 ’我们自身的存在是不可避免的 , 可似写进物理定律� 但 如果定律是另外一种样子的 , 那么这鱼就会留下涉及 到如何选择定律的哲李问题。 有一种可能性 , 称为人为原理�� �� 枷�让 � � � � ��� �习 , 它认为存在着无数平行的真实性 , 每一个都有它 自己的物理定律的变秋 只有在共存宇宙的微细子集 中 , 才有适合于生命形成的适当环境。 只有在这种非 常特殊的世界中, 观察者才想解释他们的世界似乎是 按什么方式精心设计的。 在这种理论中 , 我们是选择 者。 另一方面 , 也可以只存在一个宇宙 , 但真实性有低 于定律的较深层次 , 或许是一种“亚定律 ” , 或定律的定 律 , 一种选择原理 , 它碰巧建立起来的定律特别适用于 产生生命和意识。 不管这种选择是偶然的还 ·是 故 意 的 , 必然遗留有个人信仰间题 , 现在还 很难看到科学能 对这种终极问题做出回答。 �� �叨 夕�� , �名�古, �� 年 � � 月 � � 日� 超弦理论简介 完成爱因斯坦统一场论的构想 � � � � � � � � �� � � � 著 苏元淞 译 假扣 空间有九维 , 物质是弦状 的 , 那 么宇宙的奥秘 可能 马上被揭开 。 本世纪的第二个十年间 , 阿尔贝特 · 爱因斯坦提 出了一个在研究方法上带革命性的引力新理论。 他的 广义相对论按照几何学来描述引力物理学 � 相对论认 为 , 地球被太阳吸引 , 这是由于太阳的质量使空间的局 部几何形状失真了 , 或者弯曲了。 现在我们对于引力的理解需要再次修正 , 应该努 力使引力与量子力学统一 , 量子力学是支配物质 、特别 是亚原子物质运动的基本理论。 的确 , 这一修正 引力 理论的尝试是统一所有已知的自然基本作用力为单一 理论�统一场论�的努力的一部分。 似乎给许多物理学 家带来成功的希望的这个最新研究方法 , 正像爱因斯 坦的广义相对论一样 , 是源自几何学的。 被称为超弦�� � � �� �� �� 二� � 理论的新理论的基本 要旨是 � 宇宙空间不止三维 , 而是九维。 这或许是一个 科学幻想的光环 , 但从量子超弦理论角度看仍然存在 着完全感知的可能性。 实际上 , 超弦理论使物理学家 从一些荒唐的事实中解脱出来 , 此类事实是由于采用 因袭手段而 强加给他们的。 在寻找一些基本问题的答 案时 , 新理论从根本上让物理学家们少作些专断假设 。 因为上述理由, 以及它所开拓的道路 , 新理论已经获得 了一些最有才华的物理学家的注意。 物理学的目标是在最基本的层次上发现支配物质 运行的规律 。 由于实验物理学家研究了被粒子加速器 加速到最高可能能量的粒子之间的碰撞 , 在这方面大 多数规律 已被了解。 象显微镜所起的作用一样 , 这些 机器使科学家能够探测远比原子核小的距离 。 而理论 物理学家 , 仅用笔算或偶尔用用计算机 , 同样作出贡 献。 广阔的实脸研究已揭示了大量的拉子 , 它们看起 来是基本的 , 意思就是它们不再由任何其他东西所组 兔 一按照盈子力学的观点 , 其中� 姐粒子— 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 粒子所起的主哭作用是在其他拉子之间传递作用九 这 样,拉子与作用力就紧密关联起来 ,封于其中之 , 的了 解 , 就等子对袅一个的了舞 引力和电磁力是日常经脸中最明显的力。 但是还 有更多的—弱核力、强核力、可能的其他力 , 我们不太熟悉它们 , 是由于它们仅发生在原子核或亚原子核 水平上。 每种基本作用力都由各别的娜范拉子 所拼 带。 当太阳照亮地球时 , 能量是值过光子—电磁作用的规范粒子 , 从一个天体传送到另一个夭体的气面 当地球吸引月球时 , 两者交换引力子—引力的规范粒子。 于是 ,从量子力学的角摩看 , 爱因斯坦的理论可视 为引力子 �一种特殊的基本粒子 �的理论。 虽然广义相 对论是非常镖亮的 、成功的揖当试图对它作量子力学 解释时 , 就不行了。 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 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 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 , 或者更其形象地说 � 吹了。 在企图建立统一 场理论时 , 引力与量子力学之间的明显冲突成了最严 重的障碍。 我们已建立了统一的原则 , 它可应用于所 有其他的作用力 ,而仅仅引力—这个牛顿 、爱脚斯坦所描述的力 , 不包括在内。 解释上述情况的理由很可 能会有量子场论的最基本前提中找到。 在量子 场抢气 中 , 弓�力子以及所有其他基本粒子都被描述为没有体 积的数学点 , 这可能是间题的根源。 飞��� 年已故法国物理学家朱尔 · 谢克和我 提 出 , 基本粒子不是点而是一维曲线 , 称之为弦。 这些弦没 有厚度 , 它们的长度根据情况而变化 , 但它们的典型值 是普朗克长度 , � �一 �� 厚米� 普朗克长度非常之小 , 它 远小于原子 , 正如原子远小于太阳系一样。 超弦理论可用来描述自然界所有的基本现象 , 随 着这一事实的 日益明显 , 超弦理论现正 享有盛誉 。 不 利男 “ 弦”就显然不可能建立一个数学上调秘的量子引 刀理论。 担反地 , 不包括 引力 , 看来也不可能建立一个 数学上一致的弦论 。 超弦计算 , 即使包括引力在内 , 决 不会产生 “无限大 ”。 为了达到超弦理论的统一 , 我们必须在几何学的 观点上来一个根本的改变 , 与超弦理论一致 , 额外的六 维必须加在通常的三维上 , 一共九维。 基本想法是 , 六 维不能被观弃到是由于它们太小。 它们被卷入六维球 内 , 而六维球可发生在时空连续尽的任何点 。 可以想 象 , 所有的九维也许替经是相等的 ,但在宇宙诞生那个 时候 , 其申早维举旅了 ,余下的六个缩拢在小球内。 两种弦可能发么 开放的弦是有自由端的 曲线 � 闭合的弦是连续的曲线, 无自由端的圈。 最简单的 、最 有希望的理论却只包括限合甄 弦有些有趣的现 象。 首先, 它们运动 ,来回振动 � 孩究竟代表各种各样的基 本拉子中的哪种决定于它的振动方式 � 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 食成分离— “合二为一”或“一分为二”、 这种相互作用是基本相互作用力的起源 , 这个单一的力可以导出 引力、 电磁力和各种各样的核力。 这个弦的基本辐合 代替了无数可能的相互作用 , 而以前的引力量子理论 认为这些相互作用产生了作用力。 于是 , 我们也许是找到了对于一切基本现象的唯 一的 、 �数学上调和的解释。 弦的概念不仅提出了可以 由直身变化来代表亚原子世界的无数粒子的 单 一 粒 子 , 而且提出了所有相互作用力的单一源。 超弦理论的一个要素是超对称概念。 超对称性首 次于 �价 � 年出现在皮埃尔 · 雷蒙、安德烈 · 奈维和我 所著的有关弦论的文章里 。 几乎同时 , 苏联物理学家 尤 · 阿 · 高尔凡和伊 � 皮 · 李克曼独立地赋予三维空 间中点粒子以超对称性 � 其他物理学家 , 包括尤利 乌 ’ 韦斯 、布鲁诺 ·苏米诺 、塞乔 · 费拉热 丹尼尔 · 弗里 德里和彼得 · 范 · 尼尤温赫曾 , 在发展这个概念时起 了关键的作用。 对称概念是物理学家最有用的工具之一 。 数学对 称虽然与我们注意到的普通窜物之间的类似点 相 象 , 但它处于一个复杂得多和抽象得多的水准上。 当一个 方程组的单元之间发生了互换�变换� , 而整个集体仍 然显出同样的性质 , 我们称之为对称‘ 径向对称可作 为一价基本例证 � 球体的旋转不会破坏球表面的特性。 对称的概念之所以在发展理论时有价值 , 是因为它可 用于指明大相径庭的事物之间的重要相似点。 大有差异的事物也许有隐藏着的惊人 的 相 似 之 处 , 这是因为可观察的 自然往往不遵循�“破坏” � 自然 法则的对称性。 �例如 , 有关磁力的方程对于所有的方 向都是一样的 , 但个别磁体所产生的力总是指向某个 特定的方向。 因而 , 方程的对称性并未反映在物理磁 体上 。 类似地 , 所有空间九维在数学上是等同的 �有 关它们的方程姐具有对称性� , 但在这个可观察 的 世 界上 , 其中三维是远大于其余六维的 � 对 于力 也 是 如此 , 所有的力在邓常高的能量级别上或 非 常高 的 浪度时, ‘ 应该有同等强度 , 但在通常的条件卞却显示 出营大的差异。 妞对称是这样的一个对称 , 借助于它 , 两类主要 的业原子粒子可以数学地交换‘ 这两类粒子 称之 为 费米子和玻色子。 费米子包括夸克和 轻 子 �电 子是 轻子的一种 , 而质子由三个夸克组成 �。 玻 色 子 , 包 括规范粒子 , 因具有不同的自旋而区别于费米子。 按照超对称性 , 每个玻色子和费米子应 该 在 相 反类亚原子粒子中有一个配偶粒子。 哪个 费米 子 与 哪个玻色子配对 � 显然 , 首先要推测规范粒子是夸克 和轻子的超对称配偶粒子 。 但这不行 , 它� 们 �没能妥 贴地相配 。 相反地 , 必须假设存在着新粒子 , 它们可 与每个已知粒子相配。 资米子 玻色予 我们给规范粒子的假设的费米配偶粒子一个总的 名称 � 规范对子 ��� � 加。分。 而在特定的情况下它有 许多特定的名字。 例如 , 光子的配偶粒子称为光对子 �� �� 恤�� 。 夸克和轻子的玻色配偶粒子应称为对夸 克�� �盼�� �和对轻子�� �印�二� , 电子的配偶粒子称为 对电子 ��� �� 比加�� � 引力对子 �� �� �� 七�加� 是 引 力 子一一传递弓�一力的规范粒子的超对称配偶粒子 。 在实验上 , 对设想的超对称粒子正进行着不遗余 力的探索 。 与此同时 , 超对称 已被证明对理论工作者 是有用的。 对于引力子有配偶粒子的认识在发展超弦 理论的认识过程中是重要的一步。 包括玻色子和费米子的某些计算常常产生 “无限 大” , 超弦理论确保不发生这种情况。 相反地 , 当玻色 子和费米子的各项结合时 , 它们 以精致的式样互相抵 消。 在 超对称弦论—超弦理论中, 这些对消显然保证了从计算中得出的是意义明确的有限结果 。 �铝�年秋 , 伦敦大学玛丽女王学院的迈克尔 · 格 林和我发现了九维空间的超对称理论可以设法解决量 子力学的某些不连贯性�亦称反常�, 因此将我们密切 的、 令人兴奋的五年合作推向了高潮。 然而 , 上述解决 办法仅在有两个特殊的模型时凑效、 这两个模型取名 于它们的 , 对称群 ”—个别理论遵守的一种特殊的对称。 为超弦理论服务的这两个特殊的对称 、群 指定 为 � � ��� 和 � 。 � 凡 。 一 这些对称是囊括一切的� 所有已知的基本粒子的 对称可归属于两者之一。 我们提出包含开放的和闭合 的弦的超弦理论具有 � � �� �� 对称 , 并提供证据不会发 生反常和 � 无限大”。 几个月后 , 两个新的超弦理论由 戴维 · 格洛斯 、 杰弗里 · 哈雷 、 埃米尔 · 马丁纳和莱 ”恩 、 , 罗姆在普林斯顿大学用公式表示了出来。 这两个 新理论只包含闭合的弦 , 一个有 � 。 � � 。 对称 , 第二个 有 � � �� �� 对称。 这些发展在物理学界中引起了巨大 的震动。 我们要求能分辨许多干扰量子场论的含糊点 的、 包含引力在内的 、调和的统一 ,对这种要求的揭示 , 还是第一次。 我们不仅决定了两个允许的对称群 , 而 且可以确定基本粒子的完整谱系、 它们之间的所有相 互作用 、甚至空间和时间的尺度。 为了使超弦理论与实验室所观察到的现象联系起 来 , 还需要大量的工作 。 然而 , 多半由于普林斯顿大学 的爱德华 · 威汀的极大洞察力, 超弦现象学进展迅速 , 前途极其光明 , 特别是 � � � � � 理论。 现在至关紧要 的一步是推断紧密的六维的祥细的几何描述。 这个努 力正推向数学的尖端。 也正在导致物理学家和数学家 之向的联系在近期内达到史无前例的水平 。 残 � � 。 理论有一些引人深思的含义 。 每个 � � 识 别一个各自的对称群 , 一群产生所有已知的粒子和作 用力。 第二个 � , 给出那些隐藏着的粒子和 作 用 力。 现在断定所推测的粒子和力具有非常特殊的性质 , 还 有困难。 但是假如产生的模型对 两个 � � 群 是 一 样 的 , 将会有一些有趣的结果。 所有可观察到的基本粒 子被复制成不可见 的副本— “影像物质” 。 影像物质所构成的不可见的行星 、恒星 、银河系将存在着。 影像 物质可被推测的唯一方法是通过它的引力 , 引力对星 体运行产生奇特的效应 , 也使紧靠不可见的银河系而 过的光发生弯曲。 天文物理学家早就知道为了解释银 河系的多种可观察到的特性 , 肯定在宇宙中存在着几 个类型的 “黑暗物质 ” 。 而与第二个 � 。相关的物质也 许是重要因素之一 。 超弦理论正即将进入实验和证实阶段 。 科学家试 图检验理论所预言的效应是艰难的。 有些事情几乎不 可能测试。 例如 , 依靠高能粒子碰撞而产生具有非常 一一充一气卜夕一子一一子一一一占兮二轻一一一一电一一一叶一尸又七一光一一计一 中中中令一 �,一气,�一创一于一一子一幻一一舒二时二一一刁一产、一光一庵��电一 特殊的性质的新种类拉子的实验 , 可能显示额外的六 维的存在。 偏巧 , 象微刁嗽子, 样, 微小的维必须衣傅 用巨大能量的机器中研究 。 而额外的六维大概是如书 之小 , 以至探测它们所需要的能量远远超出我们在可 预见的未来所能利用的能量。 但其他的事情能得到证明或反证。 超对称所顶见 的每个费米子和玻色子的配偶粒子的研究 正 奋勇前 进 。 有理由相信 , 在现存的或即将完工的质子对旗器 内 , 它价的团块可观察到。 一对新近的实验中这类粒子 的暗示吏人可望而不可及 。 超对称性的验证将成为现 代物理学坂史土最重旁的发现之一。 � � � 物理学家早就梦想有一天能从最初原理来理解质 量及基本粒子的其他特性。 他们渴望在最精细的尺度 上了解空间和时间的结构 , 渴望知道分布在从普朗克 长度到宇宙半径这么广大范围 �的基本长度 存在钧原 因。 糙着超弦理论的发展 , 我们似乎有了一个好时礼 我们已 经越来越逼近地能够回答所有这些问题、 甚至 更多些, � ��泳。�� , � ��� 年��月� 狄拉克宇宙学和马赫原理 � � � � � �� � � 著 肖巍 译 译者按 � 本文乃四分之一个世纪前的 旧作 , 理 ”的始作捅者 「 谨作此译 , 以飨读者。 无量纲的引力祸合常数� 但又是 当令宇言学领域中日益 为人 们所关注 的“人择原 乌咬人� 、 �。一 � �几心 ��� 由式�� 和�� 以及作为可视极限的宇宙质量 , 给 出了第三个重要的大数 , 表示为� 式中 , , 是对于确定为质子这样的基本校于疚凡 �它 的数值竟是如此之小 , 以致世人对其中的意义长久地 持有疑 间。 晕刃⋯顿认为 , 率括这一常数的所有无量纲 物理常数都可以归约为简单的数学表达衣 狄拉克则 认为 , 这样一个奇特的数必定与表征宇宙结构的其他 类似尺变的数有关。 然而 , 绝大多数物理学家似平仍 然确信象�� 这样的无量纲常数 , 乃是大自然本身所赎 子的 , 不可能计算出来 , 也不会以什么方式与其他的数 有关 狄拉克注意到物理学和天体物理学中的大多数无 量纲常数均是 �少。的整沐幂�正或负�数量级 , 诸如 , , � 、 ‘一� ,�� � 和 触 �� �� �� �等数可以视作为 ��’� 的琴次 幂的基位数量级。 他并不认为这些大数之间只有显见 无关的偶然巧合 , 从而设想了某些未知的因果关连。 这些大数之一是 � � , 。 。。 , , 。 � 。 、 , , 。 、—� 工 � 一 � � 上� 一’ 少一 � � �仍� 少 ����卫竺� �� � , 万 ��� 式中 � 是哈勃的宇宙年龄。 对于演化宇宙, 少是随时 间改变的 , 它向狄拉克暗示所有的大数均随时间改变 , 以��伊。�”的数量级随 , 而变化。 基于这一思想 , 狄拉 克建立 了一种宇宙学 , 约丹又推导出对应于狄拉克宇 宙学的相对论性理论 。 按照狄拉克的假说 , 这三个数分别以 一 �、 � 和 � 次幂 变化。 重要的是 , 必须在这三个数 �� �、 �� �和�韵中假设 某种更深奥的联系来证明狄拉克的假说。 另外 , 还必 须似设这三个敬所体现的联系独立于时间 , 有令人信 服的证据支持这个假设。 如果现在的全值被理解为是 从全 的可取值城中所取的一种任意选择 , 那 么 , 现在的 “选择 ”就有一个刁司、的先脸几率 , 而这三个数所示类 型的那种偶然巧合似已难以成立。 考虑到这三个救间 所具有的大致关系 , 如果这些证据是支持狄拉克的话 , 就必须假设 � 有很宽的可取值域和一个小小的先验几 率。 这就表明 , 根据演化宇宙的假设 , 似不允许 � 在非 常宽的值域中任取 , 而有点象是由于适逢人类出现的 生物学要求所决定的。 首先要求这个宇宙及其星系 , 已经成熟到足以有 不同于氢的元素存在。 如所周知 , 构成物理学家本身 就有碳 。 我们知道 , 星系一开始形成之际 , 只有氢 , 后来在 内部形成不同于氢的其他元素 , 直至恒星的末 日散布 开来。 因此 , 寿命最短的恒星年龄决定了人类得以出