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弦论

文章来源:[SouVR.com]网络收集整理 作者:Frank/Tracy 发布时间:2010年06月03日 点击数: 字号:
是这一派的代表。显然,这些人在那时是过于乐观,或者是说对弦的理解还较浮于表面。为什么这么说呢?弦论在当时被理解成纯粹的弦的理论,即理论中基本对象是各种振动着的弦,又叫基本自由度。现在看来这种理解的确很肤浅,因为弦论中不可避免地含有其他自由度,如纯粹的点状粒子,两维的膜等等。15年前为数不多的人认识到弦论发展的过程是一个相当长的过程,著名的威顿 (Edward Witten) 与他的老师格罗斯 (DAVID Gross) 相反,以他对弦的深刻理解,一直显得比较“悲观”。表明他的悲观是他的一句名言:“弦论是二十一世纪的物理偶然落在了二十世纪”。(这使我们想到 一些十九世纪的物理遗留到二十一世纪来完成,如湍流问题。) 第一次“革命”后一些人的盲目乐观给反对弦论的人留下口实,遗患至今犹在。现在回过头来看,第一次“革命”解决的主要问题是如何将粒子物理的标准理论在弦论中实现。这个问题并不象表面上看起来那么简单,我们在后面会回到这个问题上来。当然,另外一个基本问题至今还没有解决,这就是所谓宇宙学常数问题。15年前只有少数几个人包括威顿意识到这是阻碍弦论进一步发展的主要问题。   第二次“革命”远较第一次“革命”延伸得长 (1994-1998), 影响也更大更广。有意思的是,主导第二次“革命”主要思想,不同理论之间的对偶性 (请注意这不是我们已提到的散射振幅的对偶性) 已出现于第一次“革命”之前。英国人奥立弗 (Olive) 和芬兰人曼通宁 (Montonen) 已在1977年就猜测在一种特别的场论中存在电和磁的对称性。熟悉麦克斯维电磁理论的人知道,电和磁是互为因果的。如果世界上只存在电磁波,没有人能将电和磁区别开来,所以此时电和磁完全对称。一旦有了电荷,电场由电荷产生,而磁场则由电流产生,因为不存在磁荷。而在奥立弗及曼通宁所考虑的场论中,存在多种电荷和多种磁荷。奥立弗-曼通宁猜想是,这个理论对于电和磁完全是对称的。这个猜想很难被直接证明,原因是虽然磁荷存在,它们却以一种极其隐蔽的方式存在:它们是场论中的所谓孤子解。在经典场论中证明这个猜想已经很难,要在量子理论中证明这个猜想是难上加难。尽管如此,人们在1994年前后已收集到很多这个猜想成立的证据。狄拉克早在1940年代就已证明,量子力学要求,电荷和磁荷的乘积是一个常数。如果电荷很小,则磁荷很大,反之亦然。在场论中,电荷决定了相互作用的强弱。如果电荷很小,那么场论是弱耦合的,这种理论通常容易研究。此时磁荷很大,也就是说从磁理论的角度来看,场论是强耦合的。奥立弗-曼通宁猜想蕴涵着一个不可思议的结果,一个弱耦合的理论完全等价于一个强耦合的理论。这种对偶性通常叫做强弱对耦。   有许多人对发展强弱对偶作出了贡献。值得特别提出的是印度人森(Ashoke Sen)。 1994年之前,当大多数人还忙于研究弦论的一种玩具模型,一种生活在两维时空中的弦,他已经在严肃地检验15年前奥立弗和曼通宁提出的猜测,并将其大胆地推广到弦论中来。这种尝试在当时无疑是太大胆了,只有很少的几个人觉得有点希望,史瓦兹是这几个人之一。要了解这种想法是如何地大胆,看看威顿的反应。一个在芝加哥大学做博士后研究员的人在一个会议上遇到威顿。威顿在作了自我介绍后问他-这是威顿通常作法-你在做什么研究,此人告诉他在做强弱对偶的研究,威顿思考一下之后说:“你在浪费时间”。   另外一个对对偶性做出很大贡献的人是洛特格斯大学(RutgersUniversity) 新高能物理理论组的塞伯格 (Nathan Seiberg)。他也是1989~1992之间研究两维弦论又叫老的矩阵模型非常活跃的人物之一。然而他见机较早,回到矩阵模型发现以前第一次超弦革命后的遗留问题之一,超对称及超对称如何破坏的问题。这里每一个专业名词都需要整整一章来解释,我们暂时存疑留下每一个重要词汇在将来适当的时候再略加解释。弦论中超对称无处不在,如何有效地破坏超对称是将弦论与粒子物理衔接起来的最为重要的问题。塞伯格在1993~1994之间的突破是,他非常有效地利用超对称来限制场论中的量子行为,在许多情形下获得了严格结果。   这些结果从量子场论的角度来看几乎是不可能的。   科学史上最不可思议的事情之一是起先对某种想法反对最烈或怀疑最深的人后来反而成为对此想法的发展推动最大的人。威顿此时成为这样的人,这在他来说不是第一次也不是最后一次。所谓塞伯格-威顿理论将超对称和对偶性结合起来,一下子得到自有四维量子场论以来最为动人的结果。这件事发生在1994年夏天。塞伯格飞到当时正在亚斯本(Aspen)物理中心进行的超对称讲习班传播这些结果,而他本来并没有计划参加这个讲习班。   纽约时报也不失时机地以几乎一个版面报导了这个消息。这是一个自第一次弦论革命以来近十年中的重大突破。这个突破的感染力慢慢扩散开来,大多数人的反应是从不相信到半信半疑,直至身不由己地卷入随之而来的量子场论和弦论长达4年的革命。很多人记得从94年夏到95年春,洛斯阿拉莫斯 hep-th 专门张贴高能物理理论文的电子“档案馆”多了很多推广和应用塞伯格-威顿理论的文章,平淡冷落的理论界开始复苏。塞伯格和威顿后来以此项工作获得1998年度美国物理学会的海因曼奖。   真正富于戏剧性的场面发生在次年的三月份。从八十年代末开始,弦的国际研究界每年召开为期一个星期的会议。会议地点每年不尽相同,第一次会议在德克萨斯A&M大学召开。九三年的会议转到了南加州大学。威顿出人意料地报告了他的关于弦论对偶性的工作。在这个工作中他系统地研究了弦论中的各种对偶性,澄清过去的一些错误的猜测,也提出一些新的猜测。他的报告震动了参加会议的大多数人,在接着的塞伯格的报告中,塞伯格在一开始是这样评价威顿的工作的:“与威顿刚才报告的工作相比,我只配做一个卡车司机”。然而他报告的工作是关于不同超对称规范理论之间的对偶性,后来被称为塞伯格对偶,也是相当重要的工作。史瓦兹在接着的报告中说:“如果塞伯格只配做卡车司机,我应当去搞一辆三轮车来”。他则报告了与森的工作有关的新工作。   95年是令弦论界异常兴奋的一年。一个接一个令人大开眼界的发现接踵而来。施特劳明格 (Andrew Strominger) 在上半年发现塞伯格-威顿94年的结果可以用来解释超弦中具有不同拓扑的空间之间的相变,从而把看起来完全不同的“真空”态连结起来。他用到一种特别的孤子,这种孤子不是完全的点状粒子,而是三维的膜。威顿95年三月份的工作中,以及两个英国人胡耳 (Chris Hull)和汤生 (Paul Townsend) 在94年夏的工作中,就已用到各种不同维数的膜来研究对偶性。这样,弦论中所包含的自由度远远不止弦本身。


弦论与宇宙学

摘要

  本文简介近来宇宙学理论发展中与弦论有关的一些想法。

一、前言

  弦论(string theory)[1]的发展在物理学中是比较奇特的。发展弦论的主要目标,是要建立一个重力的量子理论。除了弦论之外,另一个比较出名的量子重力理论是Ashtecker的loop gravity。而弦论和其他理论不同之处,是它也要去统一所有其他已知的物理。 需要考虑重力场的量子力学的现象其实不多,目前也没有直接可以与量子重力理论比较的实验结果。所以弦论的发展并不像传统物理的发展,通常是先有现象观测或实验结果,才试图建立理论。至今弦论的发展,主要是理论上的需要。 目前在地球上进行的高能实验,虽然都是量子现象,但因能量还不够高,重力作用的影响太小,还量不到。真的需要量子重力学(如弦论)的现象,最主要的例子有两个,即黑洞和早期的宇宙。随着天文观测的进展,我们希望很快可以直接检验这些量子重力理论。 过去的弦论研究中,有关黑洞的讨论很多,最近才开始有越来越多有关早期宇宙的研究。这个现象一方面是因为早期宇宙的研究比黑洞更复杂,另方面也因为宇宙学的知识一直到近来才有大量的天文观测的数据支持,因而有比较好的基础。 对弦论来说,如前所述,很难在地球上实验验证;但如果能从弦论中推出早
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