物理学中所有真正伟大的思想都是超弦理论的“派生物”( 四 )


弦理论是物理学中这样一个有希望的候选者 , 因为它给出了见于粒子物理学和广义相对论中的对称性的简单起源 。
超引力既不可重正化又太小 , 以至于无法容纳标准模型的对称性 。 因此 , 它不是自洽的 , 它无法逼真地描述已知的粒子 。 然而 , 弦理论却两者都可做到 。 我们不久将看到 , 弦理论消除了见于量子引力中的无穷大 , 产生了有限的量子引力理论 。 仅此一条就确保了弦理论应当被当作是宇宙理论的候选者 。 然而 , 还有一个附带的好处 。 我们使弦的某些维紧致化时 , 发现有“足够的余地”容纳标准模型甚至大统一理论的对称性 。
物理学中所有真正伟大的思想都是超弦理论的“派生物”
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由一个闭弦组成的杂优弦有顺时针和逆时针两类振动 , 它们被区别对待 。 顺时针方向的振动住在10维空间之中 。 逆时针方向的振动住在26维空间中 , 其中的16维已被紧致化 。
在卡鲁查原先的五维理论中 , 第五维通过卷成一个圆圈而被紧致化 。
杂优弦的名字来源于这样一个事实 , 即顺时针振动和逆时针振动住在两种不同的维中 , 但它们被组合起来 , 产生单一的超弦理论 。
16维紧致化空间非常有趣 。 在卡鲁查-克莱因理论中 , 紧致化N维空间能有一个对称性伴随着它 , 好似一个浮水气球 。 于是所有定义在N维空间的振动(或场)自动继承了这些对称性 。 如果对称性是SU(N) , 那么该空间上的所有振动必须遵守SU(N)对称性 。 用这种方法 , 卡鲁查-克莱因理论能容纳标准模型的对称性 。 然而 , 同样用这种方式还可以确定超引力“太小” , 它不能容纳在标准模型中发现的各种对称性的所有粒子 。 这足以扼杀作为物质和时空的现实理论的超引力理论 。
但是普林斯顿弦乐四重奏小组分析了这个16维空间的对称性后 , 发现它是一种异常大的对称性 , 称为E(8)×E(8) , 这种对称性比曾被试过的任何大统一理论对称性大得多 。 它意味着 , 弦的所有振动继承了16维空间的对称性 , 这个16维空间足以容纳标准模型的对称性而绰绰有余 。
物理学定律在高维中简化 。
在这种情况下 , 杂优弦逆时针振动的26维空间有足够的余地解释在爱因斯坦理论和量子理论中的所有对称性 。 因此 , 纯几何第一次给出了一个简单的解释 , 这就是为什么亚原子世界必定展现从卷曲的高维空间中出现的某种对称性∶亚原子王国的对称性只是高维空间对称性的残余 。
这意味着 , 自然之美和对称性最终能被追溯到高维空间 。 例如 , 雪花产生美丽的六角形花样 , 没有一个花样完全相同 。 这些雪花和晶体又继承了它们的分子已被几何地安排好的结构 。 这种安排主要由分子的电子壳层所决定 , 分子又使我们回到量子理论的旋转对称性 , 记为O(3)对称性 。 我们在化学元素中观察到的低能宇宙的所有对称性 , 都归因于被标准模型所划分的对称性 , 标准模型又能通过紧致化杂优弦来导出 。
物理学中所有真正伟大的思想都是超弦理论的“派生物”】总之 , 我们周围看到的对称性 , 从彩虹到盛开的鲜花再到各种晶体 , 最终能被看作为原始10维理论片断的表现形式 。 黎曼和爱因斯坦希望找到为什么力能决定物质的运动和本质的几何理解 。 但是 , 他们丢掉了证明木头和大理石关系的关键要素 。 这个缺失的环节 , 极可能是超弦理论 。 用10维弦理论 , 我们看到弦几何可能最终决定着物质的力和结构 。