超弦理論

超弦理論

弦理論是发展中的理論物理學的一支，结合量子力 学和广义相对论为量子引力。弦理論用一段段“能量弦 線”作最基本單位以说明世界上所有物質結構，大至星 際銀河，小至電子、質子及夸克一類的基本粒子都由 這一維的“能量線”所組成。中文文獻上，一般寫作 「弦」或「絃」。

較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零 維的點粒子所組成，也是目前廣為接受的物理模型， 也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題，但 是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問 題。比較起來，弦理論的基礎是波動模型，因此能夠 避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不 只是描述弦狀物體，還包含了點狀、薄膜狀物體，更 高維度的空間，甚至平行宇宙。值得注意的是，弦理 論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測，關於這 一點，以下內文會說明。
玻色弦理论

最早期的弦论叫做玻色弦理论，南部阳一郎给出了最 早的作用量，但是该作用量在场论的框架内难以量子 化。此后亚历山大·泊里雅科夫给出了一个等效的作用 量，其几何含义是把时空坐标视为一个世界面的标 量场，并且在世界面上满足广义相对论的一般坐标变 换规则。除此之外，如果要求这个作用量同时满足 在外尔变化下不变，那么自然的会要求这个世界面是 一个二维的曲面。

玻色弦理论是最简单的一个弦论的模型，它最重要的 物理图像是认为物理粒子不是单纯的点粒子，而是由 于弦的振动产生的激发态。显然它有很大的缺点，其 一是它只简单描述了标量玻色子，没有将费米子引入 框架内；其二没有包含一般量子场论中的规范对称 性；其三是当研究它的质量谱时候发现，它的真空态 是一组质量平方小于零的不稳定快子。所有这些问题 在推广到超弦理论后得到了很好的解释。

超弦理論

另外，“弦理論”這一用詞所指的原本包含了26維的玻 色弦理論，和加入了超對稱性的超弦理論。在近日的 物理界，“弦理論” 一般是專指“超弦理論”，而為了方 便區分，較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年 代，受絃對偶的啓發，愛德華·維頓猜想存在一11維 的M理論，他和其他學者找到強力的證據，顯示五種 不同版本的十維超弦理論與十一維超重力論其實應該 是M理論的六個不同極限。這些發現帶動了第二次超 弦理論革新。

弦理論與大一統理論

弦理論會吸引這麼多注意，大部分的原因是因為它很 有可能會成為大一統理論。弦理論也可能是量子重 力的解決方案之一。除了重力之外，它很自然的成功 描述了各式作用力，包含了電磁力和其他自然界存在 的各種作用力。超弦理論還包含了組成物質的基本粒 子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於 目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙， 這還是未知數。至今研究員仍未能找到一個弦論模 型，其低能極限為標準模型。

额外维

额外维是相对于"四维时空"而提出的一个概念，一般 泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维 度。爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的"四维时 空"。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四 维时空上再添加一个空间维，也就是添加一个第五 维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方 程式可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引 力”很自然地统一在同一个方程中。至此，理论中存在 额外添加的维度统称为“额外维”。

D-膜

由于超弦理论的时空维数为10维，所以很自然的可以 认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化 时，可以发现所谓的T-对偶；而对开弦紧化则可以发 现开弦的端点是停留在这些超曲面上的，并且满 足Dirichlet边界条件。所以这些超曲面一般被称为 「D膜」。 研究員稱D膜的動力學為「矩陣理論」 （M理论)，是為「M」字之一來源。

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