超弦理論、M理論和量子力學

　　愛因斯坦在生命的最後30年裡一直在尋找統一場論——一個能在單獨的包羅萬象的協和的數學架構下描寫自然界所有力的理論。愛因斯坦這樣做的動機不是我們常想的那些與科學研究緊密相關的東西，例如，為了解釋這樣或那樣的已知現象或實驗資料。 

　　實際上，驅使他的是一種關于自然界基本規律内在美的信念：對宇宙的最深刻認識将揭示它的最真實秘密，那就是，它所依賴的原理是簡單而有力的。愛因斯坦渴望以前人從未成功達到過的清晰來揭示宇宙活動的奧秘，由此而展示的自然界的動人美麗和優雅，将讓每一個第一次知道的人産生有生以來最強烈的敬畏、驚訝和震撼。

　　弦理論或者超弦理論是那些象量子和誇克等等已經溶入大衆詞典的諸多新科學專用詞彙之一，但它們卻很少能被人解釋清楚。即使會議的參加者也會告訴你，超弦理論，象許多新興科學和研究領域一樣，涉及了許多高前沿的數學領域，并不是很容易能把握的。超弦理論到底是什麼呢？簡單說來，我們可以這樣來定義超弦理論：

(1)超弦理論是現在最有希望将自然界的基本粒子和四種互相作用力統一起來的理論；

(2)超弦理論認為弦是物質組成的最基本單元，所有的基本粒子如電子、光子、中微子和誇克都是弦的不同振動激發态；

(3)超弦理論第一次将二十世紀的兩大基礎理論-廣義相對論和量子力學-結合到一個數學上自冾的架構裡；

(4)超弦理論有可能解決一些長期困繞實體學家的世紀難題如黑洞的本質和宇宙的起源。

(5)超弦理論的實驗證明将從根本上改變人們對物質結構、空間和時間的認識。

　　首先，我們發現，弦理論描述自然界的活動還真有幾分科學幻想的成份。舉例來說、弦理論描述的世界并不是我們肉眼所看到的三維空間和一維時間。合理的解釋是那些額外的空間維數沒有被觀測到是因為它們很小很小。要了解弦理論的高維屬性并不困難。(參見《宇宙的琴弦》P. 180-181)

　　在弦理論中就有許多這樣極小的額外空間維數，是以，微觀世界并不象我們普遍感覺到的世界那麼簡單。在宏觀尺度上，弦理論也可能用來解釋宇宙大爆炸的開始和黑洞内部的行為，而這些問題是以前的實體理論包括愛因斯坦的廣義相對論都失效的地方。現在發展的弦理論是有關時間和空間的量子理論，是以理論看起來也就顯得非常非常的奇怪。

　　弦理論的一個基本觀點就是自然界的基本單元不是象電子、光子、中微子和誇克等等這樣的粒子，這些看起來象粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈(稱為閉合弦或閉弦)，閉弦的不同振動和運動就給出這些不同的基本粒子。是以弦理論從一些非常基本和簡單的單元就能得到宇宙的無窮變化和複雜性。在弦理論中，人們自然地可以得到規範對稱性、超對稱性和引力，而這些原理在原有的标準模型中或者是強加進去的或者是與量子理論相沖突的，在弦理論中它們都協和地統一起來了，并且是彼此需要、獨一無二的。

　　在此我們不得不提到超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射，這是第一次從微觀理論出發，利用統計實體和量子力學的基本原理，嚴格了導出了宏觀物體黑洞的熵和輻射公式，毫無疑問地确立了超弦理論是一個關于引力和其他互相作用力的正确理論。從1984年底開始，當人們認識到超弦理論可以給出一個包容标準模型的統一理論之後，一大批才華橫溢的年輕人自然地投身到超弦理論的研究中去了。經過人們的研究發，在十維空間中，實際上有5種自洽的超弦理論，它們分别是兩個IIA和IIB，一個規範為Apin(32)/Z2的雜化弦理論，一個規範群為E8×E8的雜化弦理論和一個規範為SO（32）的I型弦理論。對一個統一理論來說，5種可能性還是稍嫌多了一些。是以，過去一直有一些從更一般的理論導出這些超弦理論的嘗試，但直到1995年人們才得到一個比較完美的關于這5種超弦理論統一的圖像。将5種超弦理論和十一維超引力統一到M理論無疑是成功的，但同是也向人們提出了更大的挑戰。M理論在提出時并沒有一個嚴格的數學表述，是以尋找M理論的數學表述和仔細研究M理論的性質就成了這一時期理論實體研究熱點。

　　道格拉斯（Douglas，MR）等人仔細研究了D－膜的性質，發現了在極短距離下，D－膜間的互相作用可以完全由規範理論來描述，這些互相作用也包括引力互相作用。是以，極短距離下的引力互相作用實際上是規範理論的量子效應。基于這些結果，班克（Banks，T）等人提出了用零維D－膜（也稱點D－膜）作為基本自由度的M理論的一種基本表述－－矩陣理論。