這篇文章是解釋上一篇文章里的內(nèi)容：【探討話題】其他緯度的生命真的生活在我們身邊嗎？

對(duì)于我們大多數(shù)人來說，無法想象三維以上的空間究竟是什么樣的世界，當(dāng)我們憑直覺知道這樣的世界不可能存在時(shí)，我們的直覺是正確的嗎?還是我們的大腦根本無法想象這樣的維度。

一個(gè)工程師，一個(gè)數(shù)學(xué)家和一個(gè)物理學(xué)家分別走進(jìn)宇宙，那么他們都發(fā)現(xiàn)了多少維度?

• 工程師拿出量角器，把它拉直，說這很容易，然后他用尺子展示了三個(gè)相互垂直的方向:長(zhǎng)度、寬度和高度，“有三個(gè)維度” 這是他的結(jié)果。

• 數(shù)學(xué)家拿出他的記事本，創(chuàng)建了一列規(guī)則、對(duì)稱、兩邊垂直的幾何圖形，他指出：正方形有四條直線的邊，而立方體有六方面；根據(jù)推算，超立方體有8個(gè)面，根據(jù)這個(gè)模式，他可以一直無窮的推算下去。

• 最后輪到物理學(xué)家了，他抬頭凝視著星星，仔細(xì)地記錄著它們的軌跡。他確定它們是通過引力互相吸引，引力隨著彼此的距離逐漸減小，他認(rèn)為這是三維；然而他推導(dǎo)出光在空間移動(dòng)的方程式后，他發(fā)現(xiàn)了四維最好的表達(dá)方式；經(jīng)過深思熟慮，他試著用一個(gè)普通的理論來描述重力和光，可這個(gè)理論似乎最少需要十個(gè)維度，甚至更多。

  
  

下面進(jìn)入正文：

這里有你想要了解的關(guān)于弦理論的所有東西，弦理論是迄今為止最引人注目(也是最有爭(zhēng)議的)物理學(xué)理論之一。

弦理論有26個(gè)維度，它假設(shè)有可能破壞我們整個(gè)宇宙所有物理的虛質(zhì)量物體，粒子和力僅僅是由振動(dòng)激發(fā)的結(jié)果，以及整個(gè)理論所包含的一切內(nèi)容，都是令人難以置信的。但是，它怎么可能說得通呢？畢竟，我們只經(jīng)歷了四個(gè)維度(空間的三個(gè)維度和時(shí)間的一個(gè)維度)，所以26個(gè)維度比4個(gè)維度多了22個(gè)維度。

這就是“超弦理論”出現(xiàn)的緣由。

弦理論的基礎(chǔ)

弦理論指出，宇宙中的所有物質(zhì)都是由微小的一維弦組成的，而不是點(diǎn)狀粒子（本質(zhì)上是0維的）。根據(jù)弦理論，“弦”是我們宇宙中物質(zhì)和力相互作用最小的純能量的微小部分。一般量子弦近似為10-33厘米長(zhǎng)（這是非常小的長(zhǎng)度）。

在弦理論家看來，所有的普遍成分（費(fèi)米子、夸克和輕子、強(qiáng)子、玻色子和光量子這樣的力載流子）都是由弦的振動(dòng)模式（通常是排列方向）決定的。

“粒子熱：物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子”。在弦理論中，所有基本粒子都被認(rèn)為是能量“弦”在其中心附近振動(dòng)的表現(xiàn)。(圖片來源：鄧肯赫爾)

傳統(tǒng)弦理論包括開弦和閉弦兩種。開弦通常有端點(diǎn)，這些端點(diǎn)的長(zhǎng)度是不同的。另一方面，閉弦沒有端點(diǎn)，通常是圓形的（當(dāng)然，除非它們處于振動(dòng)狀態(tài)）。具有諷刺意味的是，部些弦理論包含開弦，但所有弦理論必須有閉弦。

普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授斯蒂文·S.古布澤(Steven S.Gubser)的著作《弦理論》，很好地總結(jié)了這一理論，并稱，“弦理論旨在成為一幅統(tǒng)一的畫面，其中每個(gè)[粒子]都是一個(gè)不同的弦的振動(dòng)”。

物質(zhì)的不同放大程度(1-5)，以弦的模式(6)結(jié)尾。圖片由MissMJ，維基媒體共享。

弦的“振動(dòng)模式”只是識(shí)別其振蕩方式的一種奇特的方式。以下是一個(gè)理論示例：如果一個(gè)弦以一種方式振動(dòng)(或擺動(dòng))(a)，它可以表現(xiàn)出“向上”夸克的特征。如果第二個(gè)弦具有相同的性質(zhì)，我們現(xiàn)在有兩個(gè)(a-振動(dòng))弦，或者說是兩個(gè)“向上”夸克。然而，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)弦以一種完全不同的方式振動(dòng)時(shí)，是“向下”夸克，則其產(chǎn)生的相互作用簡(jiǎn)化為(a+b)*，也就是兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克。兩個(gè)向上夸克和一個(gè)向下夸克的作用結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子。

*（加號(hào)“+”是一個(gè)書面上的數(shù)學(xué)相互作用，它可以看作是新的“夸克”之間的相互作用，實(shí)際上就是某個(gè)弦/粒子本身！弦理論家稱這些振蕩(G)是強(qiáng)核力量的來源，而且不能脫離這種量子系統(tǒng)而獨(dú)立存在。）

反過來看：質(zhì)子是由兩個(gè)向上夸克和一個(gè)向下夸克組成的復(fù)合粒子（或強(qiáng)子），每個(gè)夸克都是它所代表的弦的表現(xiàn)形式。

在弦理論中，夸克本身包含存在于一維——長(zhǎng)度上的能量碎片。如果一個(gè)物體只有長(zhǎng)度，那它就是無限細(xì)的（且沒有深度），因此它必須被想象成一個(gè)線段?？茖W(xué)家選擇用“弦”而不是“線段”來定義，是因?yàn)橄沂庆`活的，可以幾乎無限種方式扭曲，從而產(chǎn)生幾乎無限的振動(dòng)模式或“音調(diào)”。

弦理論雖然在許多方面享有盛譽(yù)，特別是在量子力學(xué)和宇宙學(xué)方面，但它確實(shí)也有徹底顛覆宇宙的缺陷。因?yàn)?/span>它提供了量子平面上相互作用的合理假設(shè)，從夸克的構(gòu)造到長(zhǎng)期追求的引力子（介導(dǎo)引力相互作用，無質(zhì)量粒子的整數(shù)自旋+/- 2）。

然而，當(dāng)弦理論的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算需要在二十六個(gè)空間維度起作用時(shí)，問題就出現(xiàn)了。盡管二十六個(gè)維度顯然太多，但它們可以在時(shí)空中扭曲或甚至折疊成微小的緊湊區(qū)域，因此可能將維度減小到四個(gè)。然而，弦理論中的二十六維時(shí)空存在重大缺陷， 這兩個(gè)是：

1. “Bosonic”弦理論（原弦理論）不許可費(fèi)米子（質(zhì)子，中子等），只許可力載體（玻色子，因此稱為“玻色子”），這與宇宙的可觀察函數(shù)相矛盾。

2. 二十六維時(shí)空必須包括“超光速粒子”。（雖然《星際迷航》的粉絲可能會(huì)高興得跳起來，但是超光速粒子在弦理論中不受歡迎的。它們具有負(fù)質(zhì)量屬性（這基本上意味著虛構(gòu)的質(zhì)量，并且很容易變得不穩(wěn)定，因此科學(xué)家將其屬性命名為“超光速”。宇宙中具有負(fù)或虛構(gòu)質(zhì)量的成分，使得宇宙的某些方面和測(cè)量值一樣——本身就是虛構(gòu)的。

這就是超弦理論的來源。

六維的卡拉比-丘(Calabi-Yau)形狀可以解釋超弦理論所需要的額外維度

將維度從26個(gè)減少到10個(gè)，這樣就消除了超光速粒子問題，它仍然存在引力子。（值得注意的是，盡管目前有五種超弦理論，但在第二次超弦革命中，它們被用來替代相同的理論，或者叫“M理論”。）

超弦理論中的“超級(jí)”僅僅指“超對(duì)稱”，意味著標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子具有超對(duì)稱伙伴，也叫“超級(jí)伙伴”。超級(jí)伙伴的例子比如希格斯玻色子（上帝粒子）的超希格斯粒子（或者叫shiggs），超對(duì)稱電子（selectrons）和超對(duì)稱夸克（squarks）。

超弦理論中很復(fù)雜的一個(gè)方面是膜。膜跟弦類似，但它們可以延伸到任意數(shù)量的維度。人們注意到，大多數(shù)膜被覆蓋在獨(dú)特的事件視界，并且可以在維度（和結(jié)構(gòu)）上任意變化：從點(diǎn)粒子到圓環(huán)和/或管狀形狀，到多維結(jié)構(gòu)，不過這需要通過非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)來設(shè)想。

對(duì)這種膜的研究叫做膜宇宙論（brane cosmology）。正如電子，正電子以及那些在發(fā)現(xiàn)以前的幾十年就被人預(yù)測(cè)的粒子，超弦理論為量子引力學(xué)提供了關(guān)于膜、弦和模型的非常豐富的見解。

也就是說，超級(jí)伙伴目前仍未被真正檢測(cè)到。盡管大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）正在進(jìn)行大量有前途的研究，但預(yù)計(jì)觀測(cè)到的標(biāo)準(zhǔn)模型顆粒的超級(jí)伙伴數(shù)量將更加龐大，因此需要的能量比LHC所能提供的更多; 如果超級(jí)伙伴確實(shí)存在，說明它們目前存在于我們的技術(shù)把握范圍之外。

最后，如沒有超對(duì)稱粒子，超弦理論出現(xiàn)嚴(yán)重的麻煩，是的，它們也叫超粒子（sparticles）。

翻譯：靜靜