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弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维
2020-05-15           作者: 博科园

在20世纪90年代初,弦理论处于理论发展的困境,几十年来,理论物理学家们倾注了他们的心血,认为现实的基本组成是微小振动的弦。

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

这是一个潜在的革命性想法,能够将自然界的所有力和物质的所有组成统一到一幅单一和谐的图景中。然而,令人头疼的是,弦理论有五个独立的候选者,每一个看起来都与其他截然不同,哪一个可能是对的呢?

五种不同的弦理论

这五种不同的弦理论有几个共同点:首先,它们都涉及到字符串;它们还要求宇宙总共有10个维度(通常的3个空间维度,加一个是时间维度)还有6个更微型维度,这些维度很小,在亚微观尺度上蜷缩在自己身上。在所有理论中,弦的振动方式带来了我们物理世界的丰富性,从自然力到物质的基本组成,再到物理常数本身。

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

但当谈到物理理论时,细节很重要,五个相互竞争的弦模型在细节上有所不同。一些理论只有闭合的弦环,而另一些理论则允许开放、摆动的弦。一些理论只允许振动在弦上朝一个方向传播,而另一些理论则允许两个方向都有,有些理论是其他理论的组合。如果你感兴趣,可以参考一下这五种弦理论的名字是:Type 1、Type IIA、Type IIB、SO(32)heterotic和E8xE8 heterotic。

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

它们显然不可能都是对宇宙的正确描述,但哪一种是“真正的”弦理论,哪一种是假的呢?问题是弦理论是不完整的(今天仍然是),如没有弦理论的最终方程,用物理学家描述理论的方式来描述,就像爱因斯坦引力方程或麦克斯韦方程来描述电磁学一样。理论物理学家只有希望,但无法证明接近实际理论的近似值。因此,五种弦理论代表了五种不同的近似,无法决定哪一种是最好的。

双重性

1995年著名理论物理学家爱德华·威腾在一年一度的弦理论会议上做了一次演讲。在演讲中,他提出了一个创新式的建议:也许五弦理论毕竟没有太大的不同。事实证明,这五种理论之间存在着有趣的联系,称为对偶性或对称性。例如,关于弦,我们不知道它们交互的程度有多强。但是如果你采用,比方说,Type 1并增加它的相互作用强度,最终会得到SO(32)heterotic的较弱版本。

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

而且还有更多,有时弦可以用一定的动量,绕着一个微小卷曲的维度缠绕一定的次数,但它的双重性会使缠绕的数量和动量反转。Type IIA和Type IIB弦理论由这样的双重性联系在一起。这些双重性表明,这五种弦理论在某种程度上都是相关的,并且正在探索更深层次的东西。更深层的东西可以通过遵循所有双重性来猜测,通过尝试五种弦理论上的两个双重性:

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

有时会得到其他几种理论中的一个链接,有时会得到一个新的双重性。那个“新地方”是什么意思?Edward Witten建议将其称为“M理论”,在我们真正理解它之前,“M”是可以解释的(例如“膜”)。M理论就像一个超弦理论,展示了所有五个弦理论实际上只是一个更大、更神秘理论的一个小角落。理论物理学家过去常常认为五种弦理论是独立的行星,理论和数学探索局限于这些行星上的小岛。

M理论

但M理论显示,所有这些岛屿实际上一直共享同一颗更大的行星。M理论的一个奇怪特征是(我们对它知之甚少):认为弦理论似乎只是真实情况的低能量近似,而现实需要的不是宇宙的10个维度,而是11个维度。更重要的是,现实的基本对象不再是弦,而是d-brane。“Brane”只是多维振动事物一个花哨的词,字母“d”表示维度,从1膜(弦)到2膜(薄片)到3膜(斑点)等等,应有尽有。

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

在很大程度上,这些膜处于低位,大多只是像弦一样发挥作用,第11维在宏伟的宇宙交响乐中并没有起到太大作用。除此之外,人们对M理论知之甚少,弦理论家通常在五种通常的体系中的一个中工作,因为他们已经被很好地研究了几十年,而额外维度和膜的引入,使得已经很凶猛的弦理论数学变得更加糟糕。尽管如此,理论家们仍在继续探索边缘,希望有一天能给M理论中的“M”起一个全称。

弦理论和M理论:一场解释的宇宙大战:不是10维,而是11维

 

博科园|作者:Paul Sutter(纽约州立大学石溪分校天体物理学家)

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