弦论通俗演义 - 中国科学院理论物理研究所

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1、弦论通俗演义·李淼·前言想借高怡泓新开的网站做一点不务正业的事。作为科学院的研究员，似乎唯一的正业是写SCI论文。当下正处于弦论研究的低潮平台期，所谓超弦第二次“革命”也已尘埃落定，反正闲着也是闲着，不妨写一点关于弦论的既是历史也是通俗介绍的东西。当然希望这部“演义”对于一些已有一定物理基础的学生及物理爱好者对弦论的了解有一点帮助，至少也可作为茶余饭后打发时间的消遣。对于自己更重要的是，这可能起到宣传超弦的作用，从而对改变在中国研究弦论的生态环境作一点贡献。这也许比多写一两篇SCI论文要来得划算得

2、多。第一章从弦论到M-理论(第一节)弦论的发现不同于过去任何物理理论的发现。一个物理理论形成的经典过程是从实验到理论，在爱因斯坦广义相对论之前的所有理论无不如此。一个系统的理论形成过程通常需要几十年甚至更长的时间，牛顿的万有引力理论起源于加利略的力学及第谷，开普勒的天文观测和经验公式。一个更为现代的例子是量子场论的建立。在量子力学建立(1925/26)之后仅仅两年就有人试图研究量子场论，量子场论的研究以狄拉克将辐射量子化及写下电子的相对论方程为开端，到费曼(Feynman)，薛温格(Schwing

3、er)和朝永振一郎(Tomonaga)的量子电动力学为高潮，而以威尔逊(K.Wilson)的量子场论重正化群及有效量子场论为终结，其间经过了四十余年，数十甚至数百人的努力。广义相对论的建立似乎是个例外，尽管爱因斯坦一开始已经知道水星近日点进动，他却以惯性质量等于引力质量这个等效原理为基础，逐步以相当逻辑的方式建立了广义相对论。如果爱因斯坦一开始对水星近日点进动反常一无所知，他对牛顿万有引力与狭义相对论不相容的深刻洞察也会促使他走向广义相对论。尽管同时有其他人如阿伯拉汗(MaxAbraham)，米(

4、GustavMie)试图改正牛顿万有引力，爱因斯坦的从原理出发的原则使得他得到正确的理论。弦论发现的过程又不同于广义相对论。弦论起源于一九六零年代的粒子物理，当时的强相互作用一连串实验表明存在无穷多个强子，质量与自旋越来越大越来越高。这些粒子绝大多数是不稳定粒子，所以叫做共振态。当无穷多的粒子参与相互作用时，粒子与粒子散射振幅满足一种奇怪的性质，叫做对偶性。1968年，一个在麻省理工学院工作的意大利物理学家威尼采亚诺(GabrieleVeneziano)翻了翻数学手册，发现一个简单的函数满足对偶性

5、，这就是著名的威尼采亚诺公式。应当说当时还没有实验完全满足这个公式。很快人们发现这个简单的公式可以自然地解释为弦与弦的散射振幅。这样，弦理论起源于一个公式，而不是起源于一个或者一系列实验。伯克利大学的铃木(H.Suzuki)据说也同时发现了这个公式，遗憾的是他请教了一位资深教授并相信了他，所以从来没有发表这个公式。所有弦论笃信者都应为威尼亚采诺没有做同样的事感到庆幸，尽管他在当时同样年轻。弦论又可以说是起源于一种不恰当的物理和实验。后来的发展表明，强相互作用不能用弦论，至少不能用已知的简单的弦论来

6、描述和解释。强相互作用的最好的理论还是场论，一种最完美的场论：量子色动力学。在后来的某一章内我们会发现，其实弦论与量子色动力学有一种非常微妙，甚至可以说是一种离奇的联系。作为一种强相互作用的理论，弦论的没落可以认为是弦论有可能后来被作为一种统一所有相互作用的理论运气，更可以说是加州理工学院史瓦兹(JohnSchwarz)的运气。想想吧，如果弦论顺理成章地成为强相互作用的理论，我们可能还在孜孜不倦地忙于将爱因斯坦的广义相对论量子化。不是说这种工作不能做，这种工作当然需要人做，正如现在还有相当多的人在

7、做。如果弦论已经成为现实世界理论的一个部份，史瓦兹和他的合作者法国人舍尔克(JoelScherk)也不会灵机一动地将一种无质量，自旋为2的弦解释为引力子，将类似威尼采亚诺散射振幅中含引力子的部份解释爱因斯坦理论中的相应部份，从而使得弦论一变而为量子引力理论！正是因为弦论已失去作为强相互作用理论的可能，日本的米谷明民(TamiakiYoneya)的大脑同时做了同样的转换，建议将弦论作为量子引力理论来看待。他们同时还指出，弦论也含有自旋为1的粒子，弦的相互作用包括现在成为经典的规范相互作用，从而弦论可

8、能是统一所有相互作用的理论。这种在技术上看似简单的转变，却需要足够的想象力和勇气，一个好的物理学家一辈子能做一件这样的工作就足够了。我们说的史瓦兹的运气同时又是弦论的运气是因为史瓦兹本人的历史几乎可以看成弦的小历史。史瓦兹毫无疑问是现代弦论的创始人之一，自从在1972年离开普林斯顿大学助理教授位置到加州理工学院任资深博士后研究员。他“十年如一日”，将弦论从只有几个人知道的理论做成如今有数千人研究的学问。他也因此得以摆脱三年延长一次的位置，终于成了加州理工学院的正教授。因为他早期与格