页面加载loading效果:弦论是什么？

弦理论是在研究宏观微观世界基本力的统一特别是对量子理论的解释逐步深入过程中提出的一个科学假设。历史上产生了不少量子引力理论，但都不如近来得超弦(Superstring)理论大红大紫，声名远扬，时髦无比，倘若谁不知道它简直就不好意思出来混。关于量子理论的来龙去脉不多说了，楼主有兴趣的话建议您看看英国学者斯宾利的《寻找薛定谔的猫》，我在这里用极其浅显的话叙述一下关于超弦理论的来龙去脉，不要嫌罗索哦。
在统一广义相对论和量子论的漫漫征途中，物理学家一开始采用的是较为温和的办法。他们试图采用老的战术，也就是在征讨强、弱作用力和电磁力时用过的那些行之有效的手段，把它同样用在引力的身上。在相对论里，引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应，而正如我们所看到的，量子场论把基本的力看成是交换粒子的作用，比如电磁力是交换光子，强相互作用力是交换胶子……等等。那么，引力莫非也是交换某种粒子的结果？在还没见到这个粒子之前，人们已经为它取好了名字，就叫“引力子”(graviton)。根据预测，它应该是一种自旋为2，没有质量的玻色子(玻色子是自旋为整数的粒子，如光子。而费米子的自旋则为半整数，如电子。粗略地说，费米子是构成“物质”的粒子，而玻色子则是承载“作用力”的粒子)。。
可是，要是把所谓引力子和光子等一视同仁地处理，人们马上就发现他们注定要遭到失败。在量子场论内部，无论我们如何耍弄小聪明，也没法叫引力子乖乖地听话：计算结果必定导致无穷的发散项，无穷大！我们还记得，在量子场论创建的早期，物理学家是怎样地被这个无穷大的幽灵所折磨的，而现在情况甚至更糟：就算运用重正化方法，我们也没法把它从理论中赶跑。在这场战争中我们初战告负，现在一切温和的统一之路都被切断，量子论和广义相对论互相怒目而视，作了最后的割席决裂，我们终于认识到，它们是互不相容的，没法叫它们正常地结合在一起！物理学的前途顿时又笼罩在一片阴影之中，相对论的支持者固然不忿气，拥护量子论的人们也有些踌躇不前：要是横下心强攻的话，结局说不定比当年的爱因斯坦更惨，但要是战略退却，物理学岂不是从此陷入分裂而不可自拔？
新希望出现在1968年，但却是由一个极为偶然的线索开始的：它本来根本和引力毫无关系。那一年，CERN（欧洲核子物理研究所，相信读过丹·布朗《天使与魔鬼》的朋友都不会陌生）的意大利物理学家维尼基亚诺(Gabriel Veneziano)随手翻阅一本数学书，在上面找到了一个叫做“欧拉β函数”的东西。维尼基亚诺顺手把它运用到所谓“雷吉轨迹”(Regge trajectory)的问题上面，作了一些计算，结果惊讶地发现，这个欧拉早于1771年就出于纯数学原因而研究过的函数，它竟然能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应！
维尼基亚诺没有预见到后来发生的变故，他也并不知道他打开的是怎样一扇大门，事实上，他很有可能无意中做了一件使我们超越了时代的事情。威顿(Edward Witten)后来常常说，超弦本来是属于21世纪的科学，我们得以在20世纪就发明并研究它，其实是历史上非常幸运的偶然。
维尼基亚诺模型不久后被3个人几乎同时注意到，他们是芝加哥大学的南部阳一郎，耶希华大学(Yeshiva Univ)的萨斯金(Leonard Susskind)和玻尔研究所的尼尔森(Holger Nielsen)。三人分别证明了，这个模型在描述粒子的时候，它等效于描述一根一维的“弦”！这可是非常稀奇的结果，在量子场论中，任何基本粒子向来被看成一个没有长度也没有宽度的小点，怎么会变成了一根弦呢？
虽然这个结果出人意料，但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然与当时正在那里访问的法国物理学家谢尔克(Joel Scherk)合作，研究了这个理论的一些性质。他们把这种弦当作束缚夸克的纽带，也就是说，夸克是绑在弦的两端的，这使得它们永远也不能单独从核中被分割出来。这听上去不错，但是他们计算到最后发现了一些古怪的东西。比如说，理论要求一个自旋为2的零质量粒子，但这个粒子却在核子家谱中找不到位置(你可以想象一下，如果某位化学家找到了一种无法安插进周期表里的元素，他将会如何抓狂？)。还有，理论还预言了一种比光速还要快的粒子，也即所谓的“快子”(tachyon)。大家可能会首先想到这违反相对论，但严格地说，在相对论中快子可以存在，只要它的速度永远不降到光速以下！真正的麻烦在于，如果这种快子被引入量子场论，那么真空就不再是场的最低能量态了，也就是说，连真空也会变得不稳定，它必将衰变成别的东西！这显然是胡说八道。
更令人无法理解的是，如果弦论想要自圆其说，它就必须要求我们的时空是26维的！平常的时空我们都容易理解：它有3维空间，外加1维时间，那多出来的22维又是干什么的？这种引入多维空间的理论以前也曾经出现过，如果大家还记得玻尔在哥本哈根的助手克莱恩(Oskar Klein)，也许会想起他曾经把“第五维”的思想引入薛定谔方程。克莱恩从量子的角度出发，而在他之前，爱因斯坦的忠实追随者，德国数学家卡鲁扎(Theodor Kaluza)从相对论的角度也作出了同样的尝试。后来人们把这种理论统称为卡鲁扎-克莱恩理论(Kaluza-Klein Theory，或KK理论)。但这些理论最终都胎死腹中。的确很难想象，如何才能让大众相信，我们其实生活在一个超过4维的空间中呢？
最后，量子色动力学(QCD)的兴起使得弦论失去了最后一点吸引力。正如我们在前面所述，QCD成功地攻占了强相互作用力，并占山为王，得到了大多数物理学家的认同。在这样的内外交困中，最初的弦论很快就众叛亲离，被冷落到了角落中去。
在弦论最惨淡的日子里，只有施瓦茨和谢尔克两个人坚持不懈地沿着这条道路前进。1971年，施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作，把原来需要26维的弦论简化为只需要10维。这里面初步引入了所谓“超对称”的思想，每个玻色子都对应于一个相应的费米子。与超对称的联盟使得弦论获得了前所未有的力量，使它可以同时处理费米子，更重要的是，这使得理论中的一些难题(如快子)消失了，它在引力方面的光明前景也逐渐显现出来。可惜的是，在弦论刚看到一线曙光的时候，谢尔克出师未捷身先死，他患有严重的糖尿病，于1980年不幸去世。施瓦茨不得不转向伦敦玛丽皇后学院的迈克尔•格林(Michael Green)，两人最终完成了超对称和弦论的结合。他们惊讶地发现，这个理论一下子犹如脱胎换骨，完成了一次强大的升级。现在，老的“弦论”已经死去了，新生的是威力无比的“超弦”理论，这个“超”的新头衔，是“超对称”册封给它的无上荣耀。
当把他们的模型用于引力的时候，施瓦茨和格林狂喜得能听见自己的心跳声。老的弦论所预言的那个自旋2质量0的粒子虽然在强子中找不到位置，但它却符合相对论！事实上，它就是传说中的“引力子”！在与超对称同盟后，新生的超弦活生生地吞并了另一支很有前途的军队，即所谓的“超引力理论”。现在，谢天谢地，在计算引力的时候，无穷大不再出现了！计算结果有限而且有意义！引力的国防军整天警惕地防卫粒子的进攻，但当我们不再把粒子当作一个点，而是看成一条弦的时候，我们就得以瞒天过海，暗渡陈仓，绕过那条苦心布置的无穷大防线，从而第一次深入到引力王国的纵深地带。超弦的本意是处理强作用力，但现在它的注意力完全转向了引力：天哪，要是能征服引力，别的还在话下吗？
关于引力的计算完成于1982年前后，到了1984年，施瓦茨和格林打了一场关键的胜仗，使得超弦惊动整个物理界：他们解决了所谓的“反常”问题。本来在超弦中有无穷多种的对称性可供选择，但施瓦茨和格林经过仔细检查后发现，只有在极其有限的对称形态中，理论才得以消除这些反常而得以自洽。这样就使得我们能够认真地考察那几种特定的超弦理论，而不必同时对付无穷多的可能性。更妙的是，筛选下来的那些群正好可以包容现有的规范场理论，还有粒子的标准模型！伟大的胜利！
“第一次超弦革命”由此爆发了，前不久还对超弦不屑一顾，极其冷落的物理界忽然像着了魔似的，倾注出罕见的热情和关注。成百上千的人们争先恐后，前仆后继地投身于这一领域，以致于后来格劳斯(David Gross)说：“在我的经历中，还从未见过对一个理论有过如此的狂热。”短短3年内，超弦完成了一次极为漂亮的帝国反击战，将当年遭受的压抑之愤一吐为快。在这期间，像爱德华•威顿，还有以格劳斯为首的“普林斯顿超弦四重奏”小组都作出了极其重要的贡献，不过我们没法详细描述了。网上关于超弦的资料繁多，如果有兴趣的读者可以参考这个详细的资料索引：
arxiv.org/abs/hep-th/0311044
第一次革命过后，我们得到了这样一个图像：任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放或者闭合(头尾相接而成环)的弦。当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子(电子、光子……包括引力子！)。我们仍然生活在一个10维的空间里，但是有6个维度是紧紧蜷缩起来的，所以我们平时觉察不到它。想象一根水管，如果你从很远的地方看它，它细得就像一条线，只有1维的结构。但当真把它放大来看，你会发现它是有横截面的！这第2个维度被卷曲了起来，以致于粗看之下分辨不出。在超弦的图像里，我们的世界也是如此，有6个维度出于某种原因收缩得非常紧，以致粗看上去宇宙仅仅是4维的(3维空间加1维时间)。但如果把时空放大到所谓“普朗克空间”的尺度上(大约10^-33厘米)，这时候我们会发现，原本当作是时空中一个“点”的东西，其实竟然是一个6维的“小球”！这6个卷曲的维度不停地扰动，从而造成了全部的量子不确定性（看看，这个理论竟然可以从根子上解释不确定原理）！
这次革命使得超弦声名大振，隐然成为众望所归的万能理论候选人。当然，也有少数物理学家仍然对此抱有怀疑态度，比如格拉肖，费因曼。霍金（就是前天在人民大会堂面对六千人在轮椅上作报告的教授）对此也不怎么热情。大家或许还记得我们在前面描述过，在1982年阿斯派克特实验后，BBC的布朗和纽卡斯尔大学的戴维斯对几位量子论的专家做了专门访谈。现在，当超弦热在物理界方兴未艾之际，这两位仁兄也没有闲着，他们再次出马，邀请了9位在弦论和量子场论方面最杰出的专家到BBC做了访谈节目。这些记录后来同样被集合在一起，于1988年以《超弦：万能理论？》为名，由剑桥出版社出版。阅读这些记录可以发现，专家们虽然吵得不像量子论那样厉害，但其中的分歧仍是明显的。费因曼甚至以一种饱经沧桑的态度说，他年轻时注意到许多老人迂腐地抵制新思想(比如爱因斯坦抵制量子论)，但当他自己也成为一个老人时，他竟然也身不由己地做起同样的事情，因为一些新思想确实古怪——比如弦论就是！
人们自然而然地问，为什么有6个维度是蜷缩起来的？这6个维度有何不同之处？为什么不是5个或者8个维度蜷缩？这种蜷缩的拓扑性质是怎样的？有没有办法证明它？因为弦的尺度是如此之小(普朗克空间)，所以人们缺乏必要的技术手段用实验去直接认识它，而且弦论的计算是如此繁难，不用说解方程，就连方程本身我们都无法确定，而只有采用近似法！更糟糕的是，当第一次革命过去后，人们虽然大浪淘沙，筛除掉了大量的可能的对称，却仍有5种超弦理论被保留了下来，每一种理论都采用10维时空，也都能自圆其说。这5种理论究竟哪一种才是正确的？人们一鼓作气冲到这里，却发现自己被困住了。弦论的热潮很快消退，许多人又回到自己的本职领域中去，第一次革命尘埃落定。
一直要到90年代中期，超弦才再次从沉睡中苏醒过来，完成一次绝地反攻。这次唤醒它的是爱德华•威顿。在1995年南加州大学召开的超弦年会上，威顿让所有的人都吃惊不小，他证明了，不同耦合常数的弦论在本质上其实是相同的！我们只能用微扰法处理弱耦合的理论，也就是说，耦合常数很小，在这样的情况下5种弦论看起来相当不同。但是，假如我们逐渐放大耦合常数，它们应当是一个大理论的5个不同的变种！特别是，当耦合常数被放大时，出现了一个新的维度——第11维！这就像一张纸只有2维，但你把许多纸叠在一起，就出现了一个新的维度——高度！
换句话说，存在着一个更为基本的理论，现有的5种超弦理论都是它在不同情况的极限，它们是互相包容的！这就像那个著名的寓言——盲人摸象。有人摸到鼻子，有人摸到耳朵，有人摸到尾巴，虽然这些人的感觉非常不同，但他们摸到的却是同一头象——只不过每个人都摸到了一部分而已！格林(Brian Greene)在1999年的《优雅的宇宙》中举了一个相当搞笑的例子，我们把它发挥一下：想象一个热带雨林中的土著喜欢水，却从未见过冰，与此相反，一个爱斯基摩人喜欢冰，但因为他生活的地方太寒冷，从未见过液态的水的样子(无疑现实中的爱斯基摩人见过水，但我们可以进一步想象他生活在土星的光环上，那就不错了)，两人某天在沙漠中见面，为各自的爱好吵得不可开交。但奇妙的事情发生了：在沙漠炎热的白天，爱斯基摩人的冰融化成了水！而在寒冷的夜晚，水又重新冻结成了冰！两人终于意识到，原来他们喜欢的其实是同一样东西，只不过在不同的条件下形态不同罢了。
这样一来，5种超弦就都被包容在一个统一的图像中，物理学家们终于可以松一口气。这个统一的理论被称为“M理论”。就像没人知道为啥007电影中的那个博士发明家叫做“Q”(扮演他的老演员于1999年车祸去世了，在此纪念一下)，也没人知道这个“M”确切代表什么意思，或许发明者的本意是指“母亲”(Mother)，说明它是5种超弦的母理论，但也有人认为是“神秘”(Mystery)，或者“矩阵”(Matrix)，或者“膜”(Membrane)。有些中国人喜欢称其为“摸论”，意指“盲人摸象”！
在M理论中，时空变成了11维，由此可以衍生出所有5种10维的超弦论来。事实上，由于多了一维，我们另有一个超引力的变种，因此一共是6个衍生品！这时候我们再考察时空的基本结构，会发现它并非只能是1维的弦，而同样可能是0维的点，2维的膜，或者3维的泡泡，或者4维的……我想不出4维的名头。实际上，这个基本结构可能是任意维数的——从0维一直到9维都有可能！M理论的古怪，比起超弦还要有过之而无不及。
不管超弦还是M理论，它们都刚刚起步，还有更长的路要走。虽然异常复杂，但是超弦/M理论仍然取得了一定的成功，甚至它得以解释黑洞熵的问题——1996年，施特罗明格(Strominger)和瓦法(Vafa)的论文为此开辟了道路。在那之前不久的一次讲演中，霍金还挖苦说：“弦理论迄今为止的表现相当悲惨：它甚至不能描述太阳结构，更不用说黑洞了。”不过他最终还是改变了看法而加入弦论的潮流中来。M理论是“第二次超弦革命”的一部分，如今这次革命的硝烟也已经散尽，超弦又进入一个蛰伏期。PBS后来在格林的书的基础上做了有关超弦的电视节目，在公众中引起了相当的热潮。或许不久就会有第三次第四次超弦革命，从而最终完成物理学的统一，我们谁也无法预见。
值得注意的是，自弦论以来，我们开始注意到，似乎量子论的结构才是更为基本的。以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架，然后在细节上做量子论的修正，这可以称为“自大而小”的方法。但在弦论里，必须首先引进量子论，然后才导出大尺度上的时空结构！人们开始认识到，也许“自小而大”才是根本的解释宇宙的方法。如今大多数弦论家都认为，量子论在其中扮演了关键的角色，量子结构不用被改正。而广义相对论的路子却很可能是错误的，虽然它的几何结构极为美妙，但只能委屈它退到推论的地位——而不是基本的基础假设！许多人相信，只有更进一步地依赖量子的力量，超弦才会有一个比较光明的未来。我们的量子虽然是那样的古怪，但神赋予它无与伦比的力量，将整个宇宙都控制在它的光辉之下。
最后说一下，2006年，世界弦理论大会在中国举行，而实际上，中国在这个理论物理的前沿领地，没有什么拿得出手的科学家。

弦论
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。一个系统的理论的形成通常需要几十年甚

至更长的时间，牛顿的万有引力理论起源于伽利略的力学及第谷，

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(Schwinger)

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(Max Abraham)，米(Gustav Mie)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

(Gabriele Veneziano) 翻了翻数学手册， 发现一个简单的函数

满足对偶性，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 (John Schwarz) 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 (Joel Scherk)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

的部份解释为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 (Tamiaki Yoneya) 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。因为他早期与格林 (Michael Green) 的工作，他与现在已

在剑桥大学的格林获得美国物理学会数学物理最高奖，2002年度

的海因曼奖 (Heineman prize)。

按照流行的说法，弦本身经过两次“革命”。经过第一次

“革命”，弦成为一种流行。一些弦论专家及一些亲和派走的很

远，远在1985年即第一次“革命”后不久，他们认为终极理论就

在眼前。有人说这就是一切事物的理论 (TOE=Theory of

Everything)，欧州核子中心理论部主任爱利斯 (John Ellis)

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，场论是强偶合的。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偶。

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(Rutgers

University) 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。

在众多结果中，威顿最大胆的一个结果是10 维的一种超弦

在强耦合极限下成为一种11维的理论。汤生在95年一月份的一篇

文章中做了类似的猜测，但他没有明确指出弦的耦合常数和第11

维的关系。威顿和汤生同时指出，10 维中的弦无非是其中1维绕

在第11维上的膜。汤生甚至猜想最基本的理论应是膜论，当然这

极有可能是错误的猜想。史瓦兹在随后的一篇文章中根据威顿的

建议将这个11 维理论叫成M-理论，M 这个字母对史瓦兹来说代

表母亲(Mother)，后来证实所有的弦理论都能从这个母亲理论导

出。这个字母对不同的人来说有不同的含义，对一些人来说它代

表神秘 (Mystery)，对于另外一些人来说代表膜论(Membrane) ，

对于相当多的人来说又代表矩阵 (Matrix)。不同的选择表明了不

同爱好和趣味，仁者乐山智者乐水，萝卜青菜各有所爱。总的

说来，M-理论沿用至今而且还要用下去的主要原因是，我们只

知道它是弦论的强耦合极限， 而对它的动力学知之甚少，更不

知道它的基本原理是什么。理论所的弦论专家朱传界说对于M-

理论我们象瞎子摸象，每一次只摸到大象的一部份，所以M-理

论应当叫做摸论。当然摸没有一个对应的以字母M 打头的英文

单词，如果我们想开M-理论的玩笑，我们不妨把它叫作按摩理

论，因为按摩的英文是massage。我们研究M-理论的办法很像做

按摩，这里按一下，那里按一下。更有人不怀好意地说，M 是

威顿第一个字母的倒写。

1995年的所有的兴奋到10月份达到高潮。加州大学圣巴巴拉

分校理论物理所的泡耳钦斯基 (Joseph Polchinski) 发现弦论中很多

膜状的孤子实际上就是他在6年前与他的两个学生发现的所谓D-

膜。字母D 的含义是Dirichlet，表示D-膜可以用一种满足狄雷克利

边界条件的开弦来描述。施特劳明格用到的三维膜就是一种D-膜。

这个发现使得过去难以计算的东西可以用传统的弦论工具来做严

格的计算。它的作用在其后的几年中发挥得淋漓尽致。又是威顿

第一个系统地研究了D-膜理论，他的这篇重要文章的出现仅比泡

耳钦斯基的文章迟了一个礼拜。威顿非常欣赏泡耳钦斯基的贡献，

他在于哈佛大学所作的劳布 (Loeb) 演讲中建议将D-膜称为泡耳钦

斯基子，很可惜这个浪漫的名称没有流传下来。

讲到这里，我们已给读者一个关于M-理论的模糊印象。下面

我们将从引力理论和弦论的基本东西谈起，这将是一个非常困难

的工作。我们不得不假定读者已有了大学物理的基础，即便如此，

一些概念也很难用大学已学到的东西来解释。我希望读者给我时

间，也希望读者直接在每个贴子后面提问题，如果一些东西我没

有讲清楚。弦论或M-理论还在它发展的“初级阶段”，如果追根

究底，有些问题还没有很好的回答。例如这么一个简单的问题：
到底什么是弦论，什么是M-理论？如果能吸引那怕是一两个读者
自己继续追问这个问题从而最终成为一个弦论专家，我已达到目
的。

研究基本粒子相互作用的一种比较高深的理论.

不知

http://zhidao.baidu.com/question/8951950.html