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第二节 弦理论与回圈量子引力（第1页）

第二节：弦理论与回圈量子引力

在寻找大统一问题上，如何融合相对论与量子力学成为难题，而弦理论的不断发展似乎为问题的解决提供了答案。同时，回圈量子引力论（LQG）也解决了万有引力量子化的问题。第五章提到，2009年发表的时间与空间的分离“霍扎瓦重力”理论，通过修改相对论方程，相对论的含义也为问题解决提供了一种新的方案。

而这里简单提出弦的理论与回圈量子力，主要是研究万有引力在弦理论与回圈量子引力中的表达。试图改变人们传统认识，为纠正万有引力的传统误解找到逻辑。

弦理论即弦论是现代理论物理学上的一个热门学说。弦论的一个基本观点就是：自然界的基本单元不再是有电子、光子、中微子和夸克之类的粒子组成，而是由一条条不断震动的开弦或者闭弦组成。不同弦的振幅与频率构成不同的粒子，包含正反夸克、正反电子、正反中微子等等，以及四种基本作用力“粒子”（强、弱作用力粒子、电磁力粒子以及引力粒子），都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成，而各种粒子彼此之间的差异只是因为弦线抖动的方式和形状不同而已。一段弦可以有许多谐振模式，不同的基本粒子就被诠释为这些不同的谐振模式，同时不同的弦也互相作用。

在弦理论中，由于弦的延展性（一维而不是一个点），引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义，时空量子泡沬由“弦几何”代替了，有人把万有引力当做一种闭合的弦。现在，用弦理论已经解决了有关黑洞量子力学的一些疑难问题。

弦理论的核心框架

一根植物纤维看起来就是一条线，只有一个坐标表述其长度，我们说它是一维的。无数植物纤维做成的一张纸，这张有两个方向坐标系的纸是二维平面结构。但是纸箱就是具有三个坐标系描述的三维空间结构。我们就生活在一个能感觉到的三维空间结构里面，我们的上下左右空间就是三维空间。

爱因斯坦把这样的空间与时间结合起来，表述为难以理解的四维时空。

如果用放大镜把一维的植物纤维放大百倍，我们会发现植物纤维也有上下左右空间，内部结构也是三维的。而弦理论认为除了时间与空间的四维外，还有七维空间。其中的六维蜷曲局限在普朗克尺度（10-35米）之下。这些维度因为太微小而无法被观测到，但是它们类似植物纤维里藏着的三维。

另外，一维属于非常大的膜，我们的宇宙、三维空间及其他维度都在这个膜上，但是万有引力的引力弦是可以跨越很长的，甚至超出我们的宇宙，这就是十一维弦空间。根据现代研究，一些弦理论学说不只是描述“弦”状物体，还包含了点状、薄膜状物体，更高维度的空间，甚至平行宇宙。弦理论的提出，使弦理论成为一个强有力的大统一观念，在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子。在额外维数空间中，它们都是同一粒子不同方向运动的表现。弦理论家们认为，弦理论不仅大大地拓展了人们的思维空间，同时也将大大地拓展人们的活动空间。

按照弦理论认为，在比原子核还小的普朗克尺度下蜷曲着其他的弦。这些弦在不停地振动，弦不同的振幅与频率就构成了不同粒子，弦弥漫于我们空间微小的尺寸内。科学家们认为虽然现在的观测手段不能直接观测到弦。

但是这些维数仍将以许多间接的效应表现出来。

M理论及11维时空

20世纪90年代，理论物理学家在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜（M）理论。膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面，就像薄薄的一层膜。膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。

膜理论是弦理论的扩充，膜理论揭示了弦理论的第10维空间方向，其最大维度是11维。由M理论给出的更完全的认识，揭示了弦理论的第10维空间方向，可以通过引入“影子膜”或者Randall-Sundrum机制来解释引力与暗物质。

Randall-Sundrum机制是一种束缚引力的新方法，有一两个额外维非常大，甚至是无限长的。一些科学家认为，如果想观察这些额外维，可以通过观测小距离情况下引力对平方反比定律的偏离或者在大功率粒子加速上能观察到，但现有能力很难探测到这些额外维度。霍金认为M理论主要代表神秘、奇迹。

M理论不是一个单独的弦理论，而是几种弦理论的一个集合，在M理论框架下所有不同的弦理论都在物理上是等效的。没有一种理论能够解释所有的现象，针对不同的宇宙现象用不同物理规律来解释。

霍金及一些弦理论者认为黑洞正是膜世界的极端，时间旅行正是从黑洞的中心开始的，在这里存在着超光速，但是霍金不保证这肯定是从一个世界到另一个世界的捷径。

M理论认为：从更宏观角度看，比如从万亿光年的角度来看，我们的宇宙就像是在一张纸一样薄的膜片或者肥皂泡膜上。光无法逃逸出膜，被限制在膜上，但是引力可以穿越宇宙的膜向外传播。弦理论科学家假定，宇宙中所有粒子都被局限在一个四维的膜宇宙（brane）中，而膜宇宙又漂浮在一个更高维度的体宇宙（bulk）里。不过几种特殊的粒子可以从膜宇宙中穿入穿出，其中最出众的就是引力子和惰性中微子。

弦理论之所以被物理学家如此地关注，是因为它解决了量子力学与相对论的矛盾冲突。很多科学家认为它很有可能会成为终极理论，但是弦理论有其本身的缺陷，这些缺陷导致弦理论处于非常不利的地位。

弦理论的缺陷

弦理论在很好地解决了大统一理论的同时，也有很多的缺陷。

第一，弦理论是数学模型。在未获实验证实之前，弦理论是属于哲学的范畴，不能完全算是物理学。无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。虽然弦理论是物理学的分支之一，但仍有一些人主张鉴于弦理论目前不可实验的情况，从严格定义上来说应该被称为是一个数学框架而非科学。一个有效的理论必须通过实验与观察并被经验地证明。不少物理学家们主张要通过一些实验途径去证实弦理论。尽管许多人一直保持怀疑态度，但一些科学家希望借助欧洲的大型强子对撞机通过更高能量的对撞验证弦理论，以获得相应的实验数据。在数学的层次上，另一个问题是：如同很多量子场论，弦理论的很大一部分仍然是微扰地用公式表达的（即为对连续的逼近，而非一个精确的解）。虽然非微扰技术有相当大的进步，包括猜测时空中满足某些渐进性的完整定义，但是一个非微扰的、充分的理论定义仍然是缺乏完美性的。