弦理论发展史：超炫漫话

弦理论的发展大体经历了以下五个阶段。

一、弦理论的产生阶段——二元假说

1960年，科学家们面对的强相互作用的一个未解之谜是强子的巨量增生，强子共振似乎存在高自旋。任何情况中，自洽的高自旋的基本粒子理论并不存在。还有另一个难题，就是关于强相互作用的散射振幅的高能行为难以数学化的描述。若自旋J＜1，振幅收敛；若J=1，振幅具有潜在的可正则化的对数发散；若J＞1，振幅具有不可正则化的发散。1968年，意大利科学家维尼齐亚诺为了解释原子核内强子的性质，寻找可以描述强相互作用的数学公式，偶然发现了200年前欧拉公式——欧拉—伽马函数，即

他将伽马函数与强子振动的振幅联系起来，得到

，并且提出弦理论“二元假说”：A（s，t）=A' （s，t）。该式右边就是强子的散射振幅。这就解决了强子散射振幅发散的问题。

二、弦理论的初步发展——玻色弦理论阶段

1970—1973年之间，日裔美国科学家南部纯一郎、尼尔森等人各自单独证明了双谐振模型等价于相对论性一维系统——弦，揭示了欧拉公式所蕴含的物理信息，指出所有基本粒子都是类似于正、反两个夸克之间的“橡皮筋”那样的可以抖动、扭曲的能量线，其不同的振动方式形成不同的粒子；自然界所有四种基本相互作用都是弦线不停抖动的结果，而欧拉函数恰是弦振动的数学表示。他们都证明，仅当D=26 时理论才能自洽。该理论中只有玻色子而没有费米子。但是该理论与我们在四维时空的实际感受相矛盾。

南部纯一郎毕业于东京大学。他1982年获得美国国家科学奖，1986年获得狄拉克奖，1994年获得沃尔夫奖，2005年获得富兰克林奖，2008年获得诺贝尔物理学奖。他1921年出生于日本，在量子色动力学、超导、超弦理论等领域都做出了杰出贡献，是美国普林斯顿高等研究院资深教授和世界知名学者。

三、超弦理论的提出——超弦理论初步发展阶段(www.xing528.com)

1974—1986年，尽管许多人认为超弦理论没有前途，纷纷参加量子色动力学的研究队伍，但是仍有少数人初衷不改，沉醉于超弦理论。例如，施瓦兹（Schwarz）等人“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”，提出超对称思想以构建RNS 模型。所谓超对称，就是玻色子与费米子互相转换的对称性。超对称在10维时空中可以满足自洽条件。谢尔克发现自旋为2的零质量粒子，施瓦兹等发现这类粒子很可能是引力子。1974年Wess 和Zumino 提出时空超对称的构想，继之整体超对称被推广到超引力的局域超对称，明确了万物统一的必要条件。1977年Gliozzi、Zcherk、Olive 提出合理猜想，得到没有超光子而具有等价质量以及玻色、费米子多重态模型。20世纪80年代初，格林和施瓦兹提出超弦理论的新形式，指出弦理论可能是一种引力理论或者是包罗万象的超大统一理论。

他们每个人的工作在弦理论发展的历史进程中或许只是一小步，但是合起来就是揭示宇宙本源、将四种基本作用力统一起来的一大步。

四、第一次超弦理论革命

1984年，格林、施瓦兹构造了一种特殊的弦模型。当时空维数等于10、内部对称群为SO（32）时理论是自洽的，可以完美地解释超光子问题、无穷大问题和对称性反常问题，可以容纳强相互作用力、电磁相互作用力、弱相互作用力和引力相互作用力的融合和统一，导致了1984—1996年的第一次超弦理论革命。在这一新形式的超弦理论中，只有五种超弦：I 型、IIA 型、IIB 型，满足对称性为SO（32）/Z2群和E8XE8 群的杂优弦。这五种超弦理论都假设我们生活在10维空间，其中6维被蜷缩成普朗克尺度的紧致空间，我们只能感受到四维时空。

五、第二次超弦理论革命

在第一次超弦理论革命10年之后，1995年，爱德华.威腾在南加州大学的超弦年会上做了一场令人震惊的学术报告。他说五种不同耦合常数的超弦理论本质上是同一个理论——M-理论的五个不同的变种，或者说那五种超弦理论只是五种不同情况的极限。就像盲人摸象，摸到象鼻子的人说是一个水管，摸到象耳朵的人说是一个大蒲扇，摸到象腿的人说是一根大柱子……其实，他们都不是真相的全部。M-理论认为时空是11维，时空的基本结构并非只是一维的弦，还可能是0维的点、二维的膜、三维的泡……

犹太裔美国物理学家爱德华·威腾在这次超弦理论革命中功勋卓著。