超弦与宇宙学李淼中科大讲座

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1、超弦与宇宙学李淼中国科学院理论物理研究所中国科学技术大学超弦理论在60年代末起源于对强相互作Regge现象的理解。在七十年代中期，Schwarz等人将闭弦理中出现的无质量自旋为2的粒子解释成引力子，从那时开始，弦论一直是作为统一各种相互作的理论来研究的。M理论，95－96年五种超弦理论，85年超弦理论，70年代强相互作用，60年代超引力，70－80年代QCD，70年代D膜理论，95年黑洞的量子理论96年超对称规范理论94－96年量子引力/场论对偶97年膜宇宙学，98－99年由于缺乏第一原理，所以即使在今天，弦论看起来还是一团乱麻：现代宇宙学起源于Ein

2、stein在广义相对论中寻找满足宇宙学原理的解，Hubbble发现宇宙学红移之后，宇宙学成为一个以实验为驱动力的学科。经过20世纪60年代的辉煌之后，宇宙学研究在上世纪末进入了一个新的黄金时代，几个主要发现：COBE和WMAP等微波背景辐射的精确测量。IA型超新星作为标准烛光导致加速膨胀的发现。大尺度结构（包括暗物质）的观测和理论的发展（如SDSS)……所有这些观测不仅丰富了我们对宇宙目前状况的认识，也在逐渐帮助我们了解宇宙在最初三分钟之前发生了什么。？一个比较乐观的猜测是：粒子物理标准模型关于强、弱、电磁相互作用的量子规范场论宇宙学标准模型热大爆炸宇

3、宙学上世纪60年代是现代宇宙学的第一个黄金时代，微波背景辐射的发现以及大爆炸宇宙学的建立，使得我们拥有了所谓的标准宇宙学模型.Copyright:刘川进入上世纪90年代，随着COBE、supernovaeIa等观测发现CMB不均匀性以及暗能量，我们开始进入第二个黄金时代，正在建立一个新的标准宇宙学模型？超弦理论还是其它统一理论？LCDM模型还是其它模型？Copyright:李淼•超弦理论内部的逻辑发展超弦理论一个最大的特点是，它的理论发展与过去的大多数理论发展模式不同，是倒着发展的。例如，Einstein发展广义相对论首先发现构造性原理：等效原理，然后

4、引进广义协变性从而引入黎曼几何，最后才推出广义相对论的一些重要结论，如光线弯曲（引力透镜效应），水星近日点进动，等等。超弦理路的发现发端于Veneziano四粒子散射振幅，人们进而引进弦散射的微扰规则，逐渐发现不同种类的弦理论以及孤子（D膜），最后发现不同弦论之间的关系和M理论。直到今天，我们仍然不知道弦论/M理论中的任何构造性原理。我们用以下示意图归纳超弦理论的发展强相互作用开弦理论闭弦理论IIA理论，IIB理论，杂化弦理论I型理论M理论第一原理？•与构造性原理可能相关的两个原理1.全息原理全息原理的引进是基于黑洞的量子物理。可以证明，给定一个空间区

5、域，能够实现最大熵的系统是黑洞。Bekenstein和Hawking的工作说明，黑洞的熵与其视界面积成正比，这样，一个区域所能包含的最大熵为其视界面积所限制。’tHooft和Susskind进一步提出全息原理的猜想：一个包含引力的动力学系统可以用其边界上的一个量子理论描述。UV/IR对偶UV/IR对偶则是全息原理的一个直观体现：ADS/CFT对应是全息原理的一个严格实现：Anti-deSitter空间上的量子引力＝边界时空上的共形不变的场论。这个对应已经通过了许多检验，然而，我们不知道ADS内部的局域动力学是如何在边界理论中实现的。最近的一些发展表明，

6、局域动力学与矩阵有非常密切的关系，可以想象，今后十年中会有更大的发现，从而帮助我们理解全息原理是如何“工作”的。2.时空测不准原理用弦论的散射振幅以及其他理想实验，我们发现有一种普适的时空测不准关系：TX>Ls2这个关系也许和全息原理以及UV/IR对应关系有相同的物理起源。遗憾的是，弦论目前的数学表述不能明显地表达时空测不准关系。非对易几何在弦论中有一些实现，如何将非对易几何与量子引力效应更直接的联系起来是未来的一个重要方向。•真空问题弦论中有许多不同的真空，例如，五种不同的10维弦论就可以看成是M理论中五种不同的真空，这些真空具有一定的超对称。如

7、果将一部分空间维度紧化，可以获得更多的低维真空。94年以前，人们一度认为这些真空中有些不是稳定的真空，而duality的发现说明它们大多数是稳定的真空。最近，利用D膜和弦论的新发展，人们还构造有超对称被完全破坏了的真空，有许多这类真空，人们将这些真空的集合统称为stringlandscape。保守的估计，至少有101000个这样的真空，这些真空附近的物理常数完全不同，特别地，宇宙学常数可能很小，也可能很大。在landscape这个图象中解释我们观测到的暗能量的大小，需要用到多重宇宙(multiverse)这种概念和人择原理，无论是天文界和物理界，对于人

8、择原理的看法有很大分歧。还有，用来推导出landscape的方法本身也有缺陷，例如其中假定了有