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发信人: redfox (食人族), 信区: Science
标  题: 漫谈统一场理论(三)：超对称性和超弦理论
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年06月16日20:42:39 星期五), 站内信件

一般的广义相对论教材中总会有一个章节介绍量子引力，但也总会强调，现今还没

有完备和自洽的关于引力的量子理论。流行的模型中，当构造引力子的Hamilton量

时，人为地附加些规范变换得到Lorentz不变的跃迁几率后，却发现动量空间的积
分
发散，而且引力量子论中的这类无穷大竟有无限多种。可见，要相对论和量子论水

乳交溶是多么地困难。

将引力论(广义相对论)合并于量子场论的诸多理论中，超弦理论(Superstrings)颇

受当今理论物理学家的青睐。原因据霍金在《时间简史》中说主要有两个：早先流

行的超引力理论的有限性和弦理论可以解释内禀左旋性粒子的存在。

但这一理论有个令一些人(包括我自己)不舒服的结论：若要超弦理论自洽，时空不

能是我们日常感觉得到的四维，而应是十维或二十六维。我感到别扭是基于哲学和

美学上，我不太明白宇宙的构造缘何那么钟情于十。方程上导出个十维空间，多少

应该有著宇宙对十的特殊喜好的倾向，才能让大家和谐地接受宇宙的时空是十维的
。
作为一个数学工作者，任何数字都是平等的。我们之所以常用十进制，很大原因是

人类有十个手指头。如果我们有三只手，每只手上仅有三个手指，毫无疑问，用九

进制是极为方便的。

将时空拓展的尝试似乎源于一种数学游戏。我这里并非是说黎曼几何等纯数学理论
，
而是指试图对真实宇宙的度量。翻开教科书，我们知道，广义相对论的引力场方程

(爱因斯坦场方程)是建立在四维时空上的(比如场方程中的度规张量、曲率张量等
)。
广义相对论提出不久，有位德国数学家Theodore Kaluza突发奇想：如果时空是五
维
而非四维，会有着什么样的效应呢？结果很容易得出，五维的引力与四维的引力遵

循同样的定律。其实，这并不奇怪，经典力学中的Hamilton方程和电动力学中的
Maxwell方
程都与空间维度没有关系。

于是时空被比喻成远方的一根水管或一爿桔子皮，看上去是一维的直线或二维的光

滑表面，走近了才能观测到是二维的管道或桔子皮面上   油萃莸娜逦啤Ｄ切�

我们平常觉察不到的维度被卷曲得极小极小。可是为什么三维空间和一维时间被平

展开来能让我们感觉到呢？超弦论者搬出类似于进化论中自然选择的人择原理：

“我们之所以看到宇宙是这个样子的，只是因为如果它不是这个样子，我们就不可

能在这里观测它。”空间少于三维或多于三维人类就不能存活，所以我们能感觉到

的空间只能是三维的。这点有些象用物竞天则来解释人类有双手十个手指，不如此

的话似乎总是不太方便的。

超弦论的基础是粒子的超对称性(Supersymmetry)假说。如前两节所说，粒子分为
全
整数自旋粒子和半整数自旋粒子两大类，它们分别满足交换对称性和交换反对称性
。
超对称性就是要将这两大类粒子融合于统一的数学体系中。这也是统一场论的主旨
，
将所有构成原子的粒子以及传递粒子统一在通用的理论框架内。在超弦理论中，粒

子由时空中弦的波动代表，以不同种方式摆动的弦即代表不同的粒子；粒子的生成

与吸收，对应于弦的分解与合并。用弦理论描述引力(引力子对应的弦)，便可以将

引力论(广义相对论)纳入量子力学理论体系中去了。

与超弦理论类似，近年来有一种超膜理论，它需要十一维度的时空才能协调。

统一场论还不是个成熟的学说。超弦理论中，除了那个难看的多维空间外，它还能

导致时空中的某些量不收敛。不过，超弦论者坚信，这些无穷大最终可以在某些弦

的变体中被对消掉，但这仅仅是猜想，迄今还没有一套完善的理论对付那些无穷大
。
超弦论的实验验证和证伪存在着极大的困难，由于那些额外维度的空间被卷曲得如

此之小，必需建造一个尺度大如银河系的粒子加速器才行。这是一个令人啼笑皆非

的沮丧结论，似乎意味着它和李洪志先生的“高层次空间”同样摸不着边际。然而
，
物理学家们试图在大爆炸时期所留下的蛛丝马迹中寻找超弦理论的根据。某个大爆

炸模型认为，初期“暴胀”(inflation)阶段产生了一种叫作“宇宙弦”(cosmic
strings)
的东西。有些论者因此得到灵感，断言最初的宇宙充满着的弦环，弦环旋转运动中

产生引力波，能量耗尽时，它们能象“种子”一样催生出星系星团；甚至有些论者

导出弦能够在初始宇宙的等离子体中“吹”出巨大的真空。今天，物理学家正努力

寻找这些宇宙初期的遗迹，以期象当年找到3K辐射背景而验证大爆炸理论那样证明

超弦理论的合理性。

待续：
(四)：黑洞---时空奇点
(五)：开始之前---自然选择理论和Pre-big bang理论简介

……


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