弦理论探索与新世纪科学革命弦理论提出了字富最基本的物质组成要素是完全相同的一维的弦，弦的备种不同的振动模式形成粒子的物理性质对弦理论探索的关注，有利于不同思想观念的相互交汇、启发与综合．一、 20 世纪物理学的困惑现代物理学认为：时间空间的性质由度规的16 个分量决定，而度规则由引力场及物质运动的分布决定；宇宙的基本组成问结为36 种夸克和12 种轻子共48 种“砖块粒子” ，与“粘接”这些“长块”的问种媒介粒子（48种“砖块”粒子及其13 种媒介粒子本文统称“基本粒子”） ；微观粒子的运动则遵循着呈概率分布的量子规律由于宏观尺度除万有引力之外的相互作用，特别是强、弱相互作用都几乎无所表现而微观尺度则恰好相反：万有引力相比于其他几种相互作用，几乎可以视为零，使广义相对论和量子场论各司其职占据着不同的领地，使两者暂时不会因同时运用而发生冲突．然而， 在超微观尺度范围及宇观的特殊状态中：广义相对论与量子场论的同时运用却引起了两者无法相容的巨大冲突：当考虑极为微小尺度（不于一个大约为10－33cm 被称为普朗克已度的空间距离） 中的真空量子涨落时，万有引力的剧烈涨落会导除现有广义相对论理论所不能容许的空闪光滑性的破坏月 J 力涨落将产生一种充满着无数随时间变化的弯曲、扭曲、 卷曲的量子泡沫空间普朗克尺度以下的空间范围中， 如在物质坍缩为空间尺度为零的黑洞中，同时运用广义相对论和量子场论会导致无法消除的无限大（无法重整化）在超微尺度上，量子力学核心的不确定性原理与广义相对论核心的时空的光滑几何模型是针锋相对的．就在这时，有人却宣称他们将有希望解释以上所说的一切困惑他们将托起一片新的大衣无缝的物理体系然 而，其条件是允许他们拆掉20 世纪物理学大厦，他们将用它的材料建造一幢崭新的大厦他们宣称：建成这幢新的理论大厦将产生物理学的“终极理论”．这幢崭新的大厦，就是自20 世纪 60 年代末酝酿、 70 年代初提出、 80年代到 90 年代形成体系（但至今尚未完成）的“弦理论”；随着其成长、发展，它又被赋予“超弦理论”、 “M 理论”的名称（为了叙述方便，本文一般仍简称弦理论）．弦理论家们几十年来为建造新的大厦所作的理论探索，自最初几乎被物理学界视为“科学的垃圾”，现已成为 21 世纪物理学发展的一股重要的潮流．二、弦理论的探索弦理论思想的最早提出，产生于用一维的振动的弦模拟基本粒子，此种模拟可以在一定程度上，以一定数学形式说明强相互作用、虽然面对实验，弦模型曾经败给了点粒子模型，但以后的研究表明“失败”的原因正是由于未考虑到弦模型不应是一个只考虑强相互作用的理论，而应是一个将万有引力作用也包括于其中的理论弦理论正是由于它同时包括量子理论和引力理论，而使人们看到了弥合对世纪物理学两大支柱——广义相对论与量子场论——之间裂缝的希望．1．弦理论的基本假定和一切按照公理化体系建造的理论大厦一样，弦理论也采用了一系列不经证明的基本拟定．与各种传统理论不同的是：传统理论的基本假定一般都有观察．实验的事实支持，或者后来得到了一定观察、实验事实的验证；而这正是弦理论基本假定所缺少的，但弦理论家们指望它们得到未来的观察＼实验事实证明弦理论的重要基本假定为：（ 1）宇宙最基本的物质组成要素不是点粒子，而是振动着的一维的弦．现代物理学认识、研究的微观粒子，其实都是在较大尺度上看起来像点粒子的一维的闭合的弦．（ 2）弦是宇宙最基本的组成物、宇宙的物质基元，它不可能由比它更基本的东西组成．（ 3）在宇宙中“所有的弦都是绝对相同的”． “一根基本的弦的不同振动模式生成了不同的质量、力荷”吸粒子的其他性质） ，这是弦理论基本假定中“最核心的一点”．弦振动的振幅越大、波长越短，振动能量就越大．由于能过决定质量、决定引力，所以引力也由振动模式决定．无论是物理粒子（即“砖块”粒子），还是规范粒子（媒介粒子），它们的所有性质都由弦的一定的振动模式 决定．其中一种没有质量自旅为2 的振动模式就是引力的媒介粒子——引力子．弦的振动模式具有对称性和量子化特性．即弦的振动模式是成对产生的；任何振动模式都是一定最低能忘振动模式的整数倍．所以，弦理论认为：宇宙就是由同样的弦弹出的不同乐曲组成的交响乐．（ 4）弦除了和点粒子模型中的点粒子一样，可以在3 维空间的3 个方向上自由运动或振动（一般将弦的运动赝动统称“振动”院外，还可以在超过3 维的多维空间中振动然而，超过3 维的空间维紧紧卷缩在一个被称为普朗克尺度（1．616 ×10－33 cm）的极微小的范围内，使我们在日常中无法察觉到它们的存在．（ 5）弦理论认为存在着使弦的振动模式成对产生的对称性还包括费米子与玻色子之间的超对称性，以及与 超对称性对应的规范粒子——超引力子弦理论又被称为超弦理论正是由于超对称性的引入．2．弦理论的重要结论弦理论从其基本假定出发，并尽量考虑物理学中现有的事实，基本上采用以数学计算为主的纯粹逻辑推理方法，得出了一系列理论结果，其中较重要的结论如下：（ 1）超 3 维的多余维的几何形态，决定着弦在寻常3 维空间中所表现的基本粒子的质量、电荷、力荷等多种性质．这是因为：正是多余维的几何形态决定着弦的振动模式．弦理论认为： “宇宙的基本性质在很大程度上决定于多余维度的几何形态和大小，这是弦理论的一个最深远的洞察”．（ 2）为了使弦在人们所处的3 维空间表现出现有物理学所认识的所有粒子的性质，弦理论中的多余维度不 能以任意方式卷缩起来，而只能以一类特殊的方式卷缩起来．为此，弦理论需要弦可在9 个独立方向振动的空间，也就是需要具有9 个维度的空！司（未合时间维），而多余的6 个空间维必须按数学家卡拉比、丘成桐所研究过的，一类充满着相互扭结、缠绕、卷曲的相当复杂的空间——通常称为卡一丘空间的形态卷缩起来．（ 3）弦的“张力” 非常之大， 因而其最低能态振动能量及对应质量阶称为普朗克质量），其值也非常之大 （约为质子质量的1019倍，约相当于一滴直径为0 316nun 水滴的质量）而现有物理学所发现的基本粒子质量之所以远远小于普朗克质量，则是由于正值的弦振动能量与负值的弦的量子振荡能量大部分相互抵消的结果．（ 4）弦有 3 个展开的空间维和6 个卷缩的空间维，无论是卷缩的还是展开的空间维都有其卷编或展开的半 径 R（卷缩维的R 非常小，而展开维的R 相当大）弦理论指出：如果以普朗克长度为R 的单位长度，那么半径为 R 的空间维，与半径为1/R 的空间维生成物理上完全相同的宇宙也就是说，在远远大于普朗克尺度上展开的宇宙，可以与一个在远远小于普朗克尺度上卷缩的宇宙在物理上完全相同．其理由是：弦的物理性质决定于弦运动的总能量，而和与R 成反比的均匀振动能量、与R 成正比的缠绕运动能量的分配无关如此，一个半径为R 的空间维，在物理上便等效于一个与其振动数（振动能等于最低振动能的量干数）、缠绕数（缠绕能等于最低缠绕能的量子数）分配相反的半径为1/R 的空间维至于人们列入与个空间维在物理上等效的难以理解，则源于我们习惯上往往采用R 的标准去测量1/R 空间维力 n 果用人的标准去测量产空间维，用1/R 的标准去测量1/R 空间维，两者在物理上的等效就变得容易理解．根据 R 空间维与1/R 空间维等效的思想，可以得出空间不可能收缩到比普朗克尺度更小的结论．因为当收缩到小于1/R 后，再收缩则已相当于从普朗克尺度开始重新膨胀宇宙不可能收缩得比普朗克尺度更小的结果，就避免了小于普朗克尺区情形空间中量子泡沫的出现．（ 5）卡一丘空间孔洞的数目决定基本粒子的家族数目，包含3 个孔洞的卡一已空间可以生成现有物理学中的 3 个家族粒子．由于粒子的家族数目只与卡一丘空间孔洞的总数有关，而与孔洞在不同空间维上的分布无关，因此某一卡一丘空间总可以找到另一个被弦理论称之为“镜像对称”（与日常生活中的镜像对称是完全不同的向空间，相互镜像对称的空间之间存在如下的关系：其中一个是另一个通过将空间上一定的不同的点进行一定的粘连而得到的，其中一个奇数维、偶数维的孔洞数分别是另一个的偶数维、奇数维的孔洞数；两者几何形态虽然不同，但在作为弦理论中卷缩的多余维度时却生成同样的物理宇宙．寻找镜像对称的卡一直空间的意义在于：有些极为困难的计算，在镜像对称空间中会变得非常简单．（6）弦与弦相互作用合并为1 根弦再生成两根新弦的中间过程中，会因量子涨落一次又一次产生、湮灭虚弦对其际的过程则是所有可能过程（即产生湮灭虚弦对的次数为0，l， 2，的各种过程）的总和由于1 根弦与虚弦对两根分裂的弦三者之间的耦会常数不同，各可能过程在总过程中的贡献大小不同：当耦合常数小于1 时，产生、湮灭虚弦对次数越多的和能状态贡献越小；而耦合常数大于1 时，产生、 湮灭虚弦对次数越多的可能状态则贡献越大可见，以忽略高阶项（指产生、湮灭虚弦对次数较多的状态）为特征的微扰方法，必须建立在耦合常数小于1 的前提下；否则，就会团越来越大的无限项相加而导致无穷大，微扰方法也就不再适用．（ 7）弦理论进一步认为存在着与费米子般色子之间超对称性相对应的规范粒子——超引力弦理论的进一步研究表明： 超引力的引进需要11 维时空（10 个空间维、 1个时间维）， 其中 7 个空间维卷缩为某种卡—丘空间．由于超对称性在理论中的具体作用方式不同，共有5 种不同的弦理论，分别被称为Ⅰ、ⅡB、Ⅱ A、杂化E、杂化O 弦理论，再加上11 维超引力论，这6 个理论便相互连接为一个具有共同区域的、更加广泛的统一的弦理论——M 理论（ M 可理解为谜mystery．母 Mother．膜 membrane、矩阵 matrix 等含义）． 1995 年 M 理论的形成，被弦理论家称为第二次超弦革命（第一次超弦革命则是指1984 年至 1986 年弦理发展的第一次高潮）．M 理论还指出：采用点粒子模型的量子场论可以视为弦理论的低能近似．在M 理论中，物质基元不仅可以 是 1 维的弦，而且可以是2 维的膜， 3 维的滴（称为3 维膜） ，4 维膜,,9 维膜；但在离开M 理论中心区域走向任何一个分支弦理论的区域时，则只有 1 维的弦 （可称为1 维膜） 在我们所熟悉的物理世界中占据着举足轻重的位置．三、弦理论探索的科学思想与科学方法弦理论的提出，堪称继20 世纪初物理学革命之后，在对世纪后半期开始发动至对世纪仍在进行中的又一次新的物理学革命．宇宙是统一的吗？对这一问题，弦理论家们仿佛又回到了东方古老的哲学观念：宇宙万物， 归根结底都是由相同物质基元——元气——所组成；天地万象，都遵循着一个统一的规律——被称为“道”或“天命”〕宇宙总规律弦理论家大胆提出宇宙的基本构成要素是完全相同的弦，宇宙的规律就是弦按照统一的“弦振动方程” 运动，不同的具体运动状态（振动模式）的弦奏出种种不同的“曲调”，无数不同运动状态的弦的组合演奏出充满多样性、复杂性的“宇宙乐章”．弦理论家把他们从包含无限多样性、无比复杂的宇宙之中， 所追逐的最终的简单性对象归结为弦弦的简单性， 表现为它除了作为宇宙最基本的物质要素之外，再没有其他任何特定的性质，如特定的质量或电荷等甚至，弦之所以被称为弦的一线性，也因它可以表现为从1 维到 9 维的膜而不再成为先决的特性（弦理论家甚至认为可以存在着作为“最基本的物质基元”的不具有时空维的“零膜”；它在 3 维空间 1 维时间中伸展，具有7 个卷缩的空间维，也因在不同情形它可以展开、卷缩不同的时空维数（如宇宙大爆炸之前所有空间维都是卷缩的），而不再成为预设特性弦理论家，正是力图从“弦”（或“膜”）这样简单的、其性质没有任何特定内含的物质基本对象，演绎出所有宇宙已知或未知的复杂性现有物理学所得到的一系列基本结果，如基本粒子种类、每种基本粒子的质量、力荷等油互作用的种类及每种相互作用的强度，时空性质与相互作用的关系等，都不再是大自然“天赋的”固有简单性质；而是可以归结为具有最终简单性的物质对象——弦——的不同运动表现与东方自然观将简单性、复杂性的联系隐藏在神秘不可知的“天机”中不同，弦理论则正在努力使现有科学所取得的全部确凿成。