1998年2月之『美國科學』雜誌上,有一篇介紹M理論的文章 The theory of M: M stands for magic, mystery or member 一粒子既有電荷相吸之,又磁場之相用也。二者之一成引力。我以被無外,其小無內之粒子者與動而地球般大小之蠕者是也。以昔之所論難以並解粒子與其之動。亦不可解引力也。而強理則為一方成之可說出無限小的粒子至其大者宇宙之一場論說。文中曰此論為近歲之實驗所證日多,蓋繼相對論來,本世紀最大之物理學論一。

M理論的「M」指什麼

威滕說:「M在這裡可以代表魔術(magic)、神祕(mystery)或膜(membrane),依你所好而定。」施瓦茨則提醒大家注意,M還代表矩陣(matrix)。 20世紀的物理學有兩次大的革命:一次是狹義相對論和廣義相對論,它幾乎是愛因斯坦一人完成的;另一次是量子理論的建立。經過人們的努力,量子理論與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。粒子物理的標準模型理論預言電子的磁矩是1.001159652193個玻爾磁子,實驗給出的數值是1.001159652188,兩者在誤差是完全一致的,精確度達13位有效數值。廣義相對論也有長足的發展,在小至太陽系,大至整個宇宙範圍裏,實驗觀測與理論很好地符合。但在極端條件下,引出了時空奇異,顯示了理論自身的不完善。就我們現在的認識水平,量子場論和廣義相對論是相互不自洽的,因此量子場論和廣義相對論應該在一個更大的理論框架裏統一起來。現在這一更大的理論框架已初顯端倪,它就是超弦理論。

薩拉姆(A.Salam)和溫伯格(S.Weinberg)的弱電統一理論,把分別描述電磁力和弱力的兩條規律,簡化為一條規律。而M理論的最終目標,是要用一條規律來描述已知的所有力(電磁力、弱力、強力、引力)。當前,有利於M理論的證據與日俱增,已取得令人振奮的進展。M理論成功的標誌,在於讓量子力學與廣義相對論在新的理論框架中相容起來。同弦論一樣,M理論的關鍵概念是超對稱性。所謂超對稱性,是指玻色子和費米子之間的對稱性。玻色子是以印度加爾各答大學物理學家玻色(S.N.Bose)的名字命名的;費米子是以建議實施曼哈頓工程的物理學家費米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整數自旋,而費米子具有半整數自旋。相對論性量子理論預言,粒子自旋與其統計性質之間存在某種聯繫,這一預言已在自然界中得到令人驚嘆的證實。

在超對稱物理中,所有粒子都有自己的超對稱夥伴。它們有與原來粒子完全相同的量子數(色、電荷、重子數、輕子數等)。玻色子的超夥伴必定是費米子;費米子的超夥伴必定是玻色子。儘管尚未找到超對稱夥伴存在的確切證據,但理論家仍堅信它的存在。他們認為,由於超對稱是自發破缺的,超夥伴粒子的質量必定比原來粒子的大很多,所以才無法在現有的加速器中探測到它的存在。 弦本身很簡單,只是一根極微小的線,弦可以閉合成圈(閉弦),也可以打開像頭髮(開弦)。一根弦還能分解成更細小的弦,也能與別的弦碰撞構成更長的弦。例如,一根開弦可以分裂成兩根小的開弦;也可以形成一根開弦和一根閉弦;一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦;兩根弦碰撞可以產生兩個新的弦。有一種設想,認為粒子並不真實存在,它們只是某種彎曲形態的時空區域,只不過它們的範圍極小的時候,給我們一種「粒子形態」的感覺,但當時空彎曲範圍比較廣泛時,我們會以為那是「波」。月球和太陽造成的時空彎曲是的地球上有潮汐,潮汐就是有引潮力造成的,而引潮力(測地偏離),本質上就是時空彎曲的結果。測地偏離是彎曲時空中最常見也是最重要的一個物理概念,說實話,脫離這個概念講彎曲時空、 時空曲率基本都是在講數學。

愛因斯坦的理論是彎曲時空理論,即時間和空間都是彎曲的。在哲學上,空間和時間的依存關係表達著事物的演化秩序。時、空都是絕對概念,是存在的基本屬性。但其測量數值卻是相對於參照系而言的。普朗克常量hbar。這也是一個大家經常用來作為基本常數的。這是一個量子力學誕生時纔出現的基本常數,20世紀前大家都沒有意識到的重要常數。選擇它的原因和上面類似,是薛定諤方程中唯一的常數。量子力學中波和粒子被認為是同一現象的兩個不同表現,弦理論認為每一種振動模式都對應著一種粒子,特定弦的振動頻率決定了粒子的能量和質量,一根弦的不同振動模式可以形成我們現在所熟知的基本粒子。 一個一般的非閾值BPS束縛態(F,D_p)(或(D_(p-2),D_p))可以由具有量子化的世界體電(或磁)flux的邊界態描述,由一對整數(m,n)標誌。用邊界態方法,我們顯式地計算了兩個間距為Y的分別由一對整數(m_i,n_i),i=1,2標誌的非閾值束縛態之間的相互作用振幅。利用此結果,我們可以知道非簡併(即m_in_i≠0)相互作用對(D_(p-2),D_p)情形一般是吸引的,但對於(F,D_p)情形這個結論只有對大間距時纔是確定成立的。在每種情形下,相互作用都僅當m_1/n_1=m_2/n_2和n_1n_2>0時才為零。比如,根據弦理論,粒子被看作是長度為普朗克尺度一維弦,在引入費米子的座標後,科學家提出了超弦理論。超弦理論暗示的平行宇宙時空必須擁有十個維度,時空中也存在超對稱現象,但沒有真空穩定態的問題,超弦理論的形成意味著此類平行宇宙並非由粒子和場構成的時空,宇宙不僅是四維時空,而是多維的。


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