从弦到超弦：超炫漫话

科学是一个理论体系，这个体系必须满足两个条件。第一，科学理论必须符合数理逻辑，包括形式逻辑和辩证逻辑；第二，科学理论必须经得起物理、化学、天学、地学等实验的检验，或者与公认的科学理论相符合，二者缺一不可。还有，科学理论应能预测新现象，预言新理论，提供新思维、新方法。否则便没有存在的必要。不符合数理逻辑的东西不可能自洽，无论包装得多么华丽，都不可能是科学的。

世界上最早提出原子论的是德谟克利特。他认为组成物质的最小单元是原子。1867年，威廉·汤姆孙认为原子并非点粒子，而是老太婆裹脚布那样的“带状物”。同时代的开尔文则认为“旋涡状的东西”才是原子的真面目。

电磁场的量子化出现了“无穷大”问题，利用“重整化”暂时解决了这一难题。但是若将电磁力与引力同时考虑，就难以为继了。于是弦理论出现了。维尼齐亚诺、南部、尼尔森等在1968年提出基本粒子不是点，而是振动的一维弦。弦理论认为，12 种轻子、36 种夸克和传递四种基本相互作用的14 种规范玻色子（如果不计反粒子及夸克的色和味，胶子只计入一种，则基本粒子只有17 种）都是由弦构成的；轻子和夸克都是费米弦，规范玻色子传递四种基本相互作用，是玻色弦。弦的不同振动和运动产生各种不同的粒子，只是这种弦线抖动的频率和振幅不同而已。弦的尺度很小，以至于借助于高倍显微镜也看不到，因为弦的尺度与普朗克长度相当。弦理论是将各种粒子和四种基本相互作用力统一起来的最有希望的理论。

若万物皆由弦组成，弦又由什么组成呢？弦理论认为，弦不可再分。弦存在两种状态：开弦和闭弦。开弦的运动路径类似中国大妈制作的面条，扁平而细长；闭弦的运动轨迹犹如空心粉。

弦可以分裂及合并。图3.1 表示两弦的合并。

开弦的横向振动产生横波——与开弦的传播方向垂直，从而形成传播的光子。电磁场即电磁波，电磁场的基本元素就是光子。施瓦兹与谢尔克指出，闭弦与开弦一样，可分可合。闭弦振动释放出“振动的闭弦”，这“振动的闭弦”被另一闭弦吸收，在释放与吸收之间产生与两条弦的质量乘积成正比的引力。这振动的闭弦就是引力子，其质量为零，自旋为2。于是弦理论开辟了广义相对论与量子力学相统一的道路。

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图3.1　弦的分裂与合并

62 种基本粒子弦中，轻子弦和夸克弦属于费米子弦，而传递四种基本作用力的弦属于玻色子弦。2012年发现的希格斯粒子弦以及尚未发现的引力子弦也属于玻色弦。前述弦理论发展的五个阶段中，前两个阶段，从1968年到1974年，弦理论仅包括玻色弦。费米弦当然也应该涵盖进去，只是由于当时的弦理论水平所限，人们只好“望弦兴叹”！

将弦理论发展为超弦理论，势在必行，客观上存在三个理由。

其一，维尼齐亚诺的弦理论仅仅包括自旋为1 或者2的玻色弦，不包括费米子弦。沙粒、土壤、太阳、银河系、河外星系这些人们目睹的物体实实在在地存在，它们归根结底都是由费米子构成的。一个完美的理论怎么能够不包括费米弦呢？为了使弦理论能够描述所有物质和所有力，必须将费米弦纳入弦理论。但是费米弦的自旋为1/2，与玻色弦格格不入，怎么办呢？其次，在玻色弦理论中，一种称为超光子的粒子，其质量的平方为负值，这显然不符合逻辑。在玻色弦理论的背景下，对超光子的质量平方为负值给出一个合情合理的解释，各种努力皆宣告失败。第三，玻色弦理论要求时空维数为26维，这也令人匪夷所思。

费米弦遵守泡利不相容原理，即两个或两个以上的费米弦不能占有同一个量子数。通俗地说，两个人不可坐在同一把椅子上。而玻色子不受这一原理的限制。如果将这性质迥异的两种弦放在一个理论框架内，困难是可想而知的。为了克服玻色弦理论存在的问题，1974年，约翰·施瓦兹先生和法国科学家内沃等人几经思索，终于提出适合的解决方案——超对称思想，构建RNS 模型，至此超弦理论终于出现了。