超弦理论与宇宙学的挑战
粒子物理学中超弦理论最新进展报告
粒子物理学中超弦理论最新进展报告超弦理论是现代粒子物理学中最具前沿性和挑战性的理论之一。
它将我们对自然界的理解推向了新的境界，并在解释宇宙学、量子重力、黑洞物理等重大问题上有着巨大潜力。
本篇文章将对超弦理论的最新进展进行综述，包括理论发展、实验验证和应用前景等方面。
超弦理论最早由费曼在20世纪60年代初提出，它认为基本粒子并非是点状的，而是由一维的超弦构成。
超弦理论可以同时描述引力和其他基本力的量子效应，并且能够统一量子力学和相对论的框架，被广泛认为是迈向“万有理论”的有希望的候选理论。
近年来，超弦理论取得了一系列的突破性进展。
首先，理论框架得到了深化和发展。
超弦理论的最新版本是M理论，它集合了之前五个不同的超弦理论，成为一个更全面和统一的理论框架。
M理论提供了精确的数学描述，并且在描述弦的数学对偶、超对称性、维度的多样性等方面都给出了新的进展。
其次，超弦理论的实验验证也取得了一定的进展。
虽然由于超弦理论预测的能量尺度非常高，迄今为止尚无直接观测到相关现象的实验证据。
但是，一些间接的实验证据表明，超弦理论可能是合理的物理学框架。
例如，引力波的发现提供了对超弦理论的间接支持，因为超弦理论预测了引力波的存在。
此外，粒子物理实验也对超弦理论提供了一些关键的线索，如超对称性粒子的搜寻、暗物质性质等。
第三，超弦理论的应用前景也日益扩大。
超弦理论在宇宙学领域有着重要的应用价值。
它可以解释宇宙的起源和演化，预测宇宙背景辐射的性质，并且为解决黑洞信息悖论等问题提供了新的思路。
此外，超弦理论还可以应用于材料科学、凝聚态物理等学科，为科技创新带来新方向。
尽管超弦理论取得了一系列的进展，但仍然存在着许多未解之谜和挑战。
首先，超弦理论预测了大量的额外维度，但迄今为止尚未找到实验验证的证据。
其次，超弦理论仍然面临着对称性破缺、虚实分析等技术问题的挑战。
最后，超弦理论仍然缺乏观测验证，需要更多的实验证据来支持和验证这一理论。
粒子物理学中超弦理论及其应用前景
粒子物理学中超弦理论及其应用前景超弦理论是一种旨在解释宇宙最基本构成及其相互作用的理论框架。
它基于假设，认为一切物质都可以看作是微小振动的弦，而不再是传统粒子理论中的点状粒子。
这一理论不仅在粒子物理学领域引起了广泛关注，还具有巨大的应用前景。
超弦理论的基本概念是，物质的基本结构并不是无限小的点，而是细小的弦。
这些弦可以振动，并且它们以不同的振动模式产生不同的粒子。
超弦理论的独特之处在于，它可以统一描述引力和其他基本相互作用，包括强力、弱力和电磁力。
在粒子物理学中，超弦理论的出现填补了标准模型的一些空白，解决了一些标准模型无法解释的问题。
例如，超弦理论可以解释黑洞的信息丢失问题，以及宇宙起源和演化的一些谜题。
此外，超弦理论还预测了一些新的粒子，如超对称粒子和额外的空间维度。
超弦理论的应用前景非常广泛。
首先，超弦理论可以帮助我们理解宇宙的起源和演化。
通过研究早期宇宙膨胀的过程，超弦理论可以解释宇宙的膨胀速度、暗物质和暗能量的存在，以及宇宙背景辐射的性质等。
其次，超弦理论对于高能物理实验也具有重要意义。
虽然目前无法直接验证超弦理论的预测，但部分超弦理论的特征可以通过在高能粒子加速器中进行实验来观察。
例如，某些超对称粒子的存在可以通过粒子对撞实验来验证，并对标准模型的修正提供线索。
此外，超弦理论还为量子引力领域的研究提供了新的视角。
传统的引力理论与量子力学不相容，而超弦理论试图通过量子化引力来统一这两个领域。
虽然目前这一领域还面临许多困难和挑战，但超弦理论提供了一种有希望的解决方案，并为量子引力研究的发展指明了方向。
最后，超弦理论还对技术和工程领域有着广泛的应用前景。
基于超弦理论的新型材料和技术可以在太阳能电池、传感器、量子计算等领域产生重大影响。
此外，超弦理论还启发了一些科幻作品和影视作品的创作，丰富了人类的想象力。
尽管超弦理论在科学界引起了广泛关注和研究，仍然有许多问题有待解决。
例如，目前无法直接观测到超弦或验证超弦理论的预测，这是一个重要的挑战。
超弦理论
于我们在不远的未来能够达到的能标，这样，寻找弦
论的证据就必须通过别的途径
!
宇宙学是最近一些年来的一个有着突飞猛进发
展的领域，宇宙学的实验不但发现了暗物质和暗能
量，还验证了大尺度结构形成的理论
!大尺度结构的
最早成因可以追溯到宇宙的极早期，早到宇宙中还
没有任何物质
!那个时候，由于某种原因，宇宙发生
很大
!弦论中消除无限大的主要原因是基本自由度
的延展特性，例如当我们研究微扰论时，基本自由度
是一维的弦
!在高能区，我们不可避免地会激发越来
越长的弦，而长弦所占的空间很大，从能量密度的角
度来看，能量密度并没有无限制地升高，这样就避免
了无限大的出现
!
非微扰弦论中还会出现除了弦的其他自由度，
在这样的空间上建立量子场论，我们发现某种紫外
!
红外关系就会出现
"我们看一个最简单的例子就知
道为什么会有这样的关系：假设只有两维空间，两个
空间坐标的对易子是一个常数，这个对易子很类似
量子力学中坐标与动量之间的对易子
"所以，也会有
类似的测不准关系，在
#方向的测不准乘以在
$方
验室里不可能完成的任务，甚至会帮助我们来观测
超弦理论中的效应
!
"*弦论的时空观
我们前面说到，在弦论中不可重正化的问题已
经不存在，其实弦论做得比希望的更好，不但不需要
重正化，理论本身就没有通常场论中出现的无限大
!
场论中无限大的起源是高能区域的自由度，越是高
能区自由度越多，这样它们对一些物理量的贡献就
超弦理论与宇宙学
超弦理论与宇宙学超弦理论是一种在理论物理中用于描述基本粒子和力的基础性理论。
它通过假设宇宙中存在着微小的、振动的弦状物体，将所有的基本粒子和力解释为不同振动模式的弦。
这一理论在解决了量子力学和相对论的矛盾性问题上取得了重大突破，成为了当代物理学的前沿。
一、超弦理论的基本原理和发展历程超弦理论的基本原理可以追溯到20世纪70年代，当时理论物理学家们发现了量子色动力学和强作用力的相容性问题，并且寻找到了一种希望能够解决这一问题的新理论。
最早的超弦理论是封闭弦理论，即假设弦是一个闭合的回路。
但在将量子效应考虑进来后，封闭弦理论并不能消除一些非物理的振荡态，因此被改进为开弦理论。
开弦理论加入了端点费米子，解决了原始理论中存在的问题，为后来的超弦理论发展打下了基础。
随着时间的推移，超弦理论也在不断发展。
研究者们发现在尝试统一所有基本粒子和力时，需要引入更高维度的空间，从而提出了超弦的M-理论、F-理论等，进一步拓展和完善了超弦理论。
同时，超弦理论还涉及到了超引力和超对称性等重要概念，为解释宇宙的基本特征提供了新的视角。
二、超弦理论与宇宙学的联系超弦理论除了在基础粒子物理学中具有重要意义外，还与宇宙学有着密切的联系。
根据宇宙学的观测数据，宇宙是在大爆炸（Big Bang）中形成，并在此后不断膨胀和演化。
超弦理论提供了一种对宇宙起源和演化进行解释的框架。
根据超弦理论，宇宙起源于一维的超弦。
超弦的振动模式决定了宇宙中存在的基本粒子和力，从而形成了宇宙的物质与结构。
超弦理论也涉及到了弦的相互作用和能量密度等问题，这些因素对于解释宇宙中的引力和暗物质等现象具有重要的影响。
同时，超弦理论还可以给出一些对宇宙早期演化的预言。
例如，在超弦理论的框架下，宇宙起源于封闭弦的碰撞，这种碰撞可能导致宇宙中的夸克-古怪物质不对称性。
而这一不对称性正是宇宙中物质存在的基础。
因此，超弦理论为解释宇宙早期的物质生成和演化提供了潜在的机制。
弦理论与宇宙学
弦理论与宇宙学弦理论是一种理论物理学中的重要研究领域，旨在理解宇宙的本质和结构。
它是目前人类对宇宙最深入的研究之一，并对我们理解宇宙中的各种现象和力量产生了重要影响。
一、弦理论的基本概念弦理论提出了一种全新的宇宙观，认为宇宙中的基本物质不是点状粒子，而是更为微小的弦状物体。
这些弦会以不同的方式振动，形成不同的粒子，如电子、光子等。
弦理论还包含了一系列维度的概念，相对于我们熟知的三维空间，弦理论认为宇宙存在更多的空间维度，这些额外的维度在我们的日常体验中并不可见。
二、弦理论与宇宙起源弦理论对宇宙起源的解释提供了一种全新的视角。
根据弦理论的观点，宇宙的起源不是从一个点的奇点开始的，而是从一个多维的初始状态演化而来。
这种初始状态可以被视为一个多维空间中的弦网络。
这个弦网络随着时间的推移会不断振动和演化，形成不同的粒子和力量。
从这个角度来看，宇宙的起源可以看作是弦的振动演化的结果。
三、弦理论与宇宙演化除了对宇宙起源的解释，弦理论还可以用来解释宇宙演化的过程。
根据弦理论的观点，宇宙的演化是由弦的振动和相互作用所驱动的。
在宇宙演化的过程中，不同的弦振动模式和能量状态会导致宇宙的扩张速度、物质的分布以及宇宙的结构等方面的变化。
通过研究不同的弦振动模式和它们之间的相互作用，科学家们可以更好地理解宇宙的演化历程。
四、弦理论的挑战与前景尽管弦理论在解释宇宙、基本粒子和力量等方面提供了一种有希望的框架，但它仍然面临许多挑战。
首先，弦理论预测了一些我们尚未观测到的粒子和现象，这需要进一步的实验数据来验证。
此外，弦理论中的超弦理论还存在一系列的数学难题，如量子引力的一致性问题等。
这些问题需要更深入的研究和探索。
然而，弦理论仍然具有巨大的潜力。
它可以整合量子力学和引力理论，提供更为全面和一致的物理学框架。
同时，弦理论也与黑洞物理学、量子信息领域等产生了重要的交叉研究。
总结：弦理论作为一种深入研究宇宙本质和结构的理论物理学模型，对宇宙学产生了重要影响。
弦理论探索万物的共同语言
弦理论探索万物的共同语言弦理论，作为现代物理学中的一种理论框架，试图解释和统一所有基本粒子和物理力的行为。
它认为宇宙的基本构建要素不再是点状的粒子，而是微小且具有长度的弦状物体。
这些弦不仅可以振动，还可以以不同的方式缠绕和交织在一起，从而产生了不同种类的粒子。
1. 弦理论的起源与发展弦理论的起源可以追溯到20世纪70年代。
当时，物理学家发现当使用量子力学理论来描述高能物理学现象时，会遇到一些困难和矛盾之处。
为了解决这些问题，物理学家们提出了弦理论这一全新的思路。
从那时开始，弦理论经历了多次修正和发展，逐渐形成了如今的框架。
2. 弦理论的基本原理弦理论认为，物质不再是由点状的基本粒子组成，而是由振动的弦来构建。
这些弦的振动模式不同，对应了不同的粒子。
这一观点具有许多优点，例如可以解释为什么不同的粒子具有不同的属性以及为什么物质的质量有下限等。
3. 弦理论与量子引力弦理论被认为可能是一种统一量子力学和引力理论的途径。
在现有的物理理论中，量子力学和引力理论是不一致的，无法统一。
弦理论通过将引力视为弦的振动模式，并考虑了弦在不同空间维度上的运动，为统一理论的构建提供了一种新的思路。
4. 弦理论与宇宙学弦理论还与宇宙学密切相关。
宇宙学研究宇宙的起源、演化和结构等问题，而弦理论提供了一种解释宇宙早期演化的可能性。
根据弦理论的观点，宇宙在早期可能经历了一次超弦宇宙的阶段，这对于解释宇宙的起源和演化提供了新的思路。
5. 弦理论的挑战与未来发展虽然弦理论具有很多优点和潜力，但仍存在一些挑战和问题。
例如，弦理论涉及到额外的维度、复杂的数学计算等。
此外，由于目前实验数据的限制，也无法验证弦理论的预言。
未来，物理学家们需要进一步发展数学工具，设计实验来验证或推翻弦理论的假设。
总结：弦理论作为一种探索万物共同语言的理论框架，提供了一种新的视角来理解和解释基本粒子和物理力的行为。
它的出现和发展使得物理学家们对于宇宙和现象的解释有了更加全面和深入的认识。
弦理论与宇宙学的奥秘
弦理论与宇宙学的奥秘弦理论，也被称为弦宇宙学，是当今物理学中备受关注的一个领域。
它与宇宙学密切相关，试图解释宇宙的起源、结构以及演化。
本文将介绍弦理论的基本概念、其与宇宙学的联系以及研究中的一些重大突破。
一、弦理论的基本概念弦理论认为，基本构成宇宙的并不是我们通常所熟悉的点或粒子，而是更为微小的一维振动弦。
这些弦能以不同的方式振动，产生不同的粒子和相互作用，从而形成了宇宙的多样性。
这一理论试图统一所有已知的基本粒子，包括引力在内，为一个更为全面的物理学理论奠定基础。
弦理论具有以下特点：1. 高维空间：弦理论需要在10维或更高维的空间中进行，其中6个额外维度呈卷曲状态，且我们难以察觉。
这是与我们日常生活经验背离的一个重要方面。
2. 单一基本实体：弦理论提出了一种单一的基本实体——弦。
这与标准模型中的多个粒子不同，简化了理论，并为统一基本力量提供了可能性。
3. 宇宙学常数问题：弦理论试图解决宇宙学常数问题，即为什么宇宙学常数非常小。
它提出了一种能够通过自身修正来解释这一问题的机制。
二、弦理论与宇宙学的关系弦理论与宇宙学存在密切的联系，主要体现在以下几个方面：1. 宇宙大爆炸：宇宙大爆炸是宇宙学的一个核心概念，也是弦理论的应用领域之一。
通过弦理论，我们可以研究宇宙起源后的演化，解释宇宙大爆炸之后的各种现象。
2. 暗能量与暗物质：宇宙学观测数据表明，存在着暗能量和暗物质，它们对宇宙的演化产生了重要影响。
弦理论试图从微观角度解释这些现象，提供了可能性。
3. 多宇宙理论：多宇宙理论是宇宙学的一个分支领域，也与弦理论有关。
弦理论认为，存在着无数个平行宇宙，并在演化过程中产生多样的宇宙结构。
三、弦理论研究的重大突破近年来，弦理论研究取得了一些重大突破，使其成为科学界的热点之一。
以下是一些重要进展的概述：1. 弦振幅计算方法：研究人员发展了一种新的弦振幅计算方法，称为弦振幅推进器。
它使得我们能够更准确地计算弦理论中粒子的相互作用。
弦理论及其在宇宙学中的应用
弦理论及其在宇宙学中的应用弦理论是近代物理学中的一种理论，被认为是描述自然界最基本粒子与力交互作用方式的一种理论。
它最早在20世纪七八十年代由物理学家们提出，并于之后几十年的研究中逐渐被完善和发展。
它被许多科学家视为统一所有基本力的理论，因为它试图融合引力与量子力学，解决现有理论中的一些矛盾之处。
弦理论的核心概念是“弦”，且它的长度非常微小，只有10^{-35}米的量级。
这个微小的尺度使得弦理论超出我们当前能够观测到的实验范围，因此弦理论的验证一直是科学家们的难题之一。
不过，弦理论的美妙之处在于它对物理学的预测性，它提供了许多对实验的有力预测，这些预测可以在更高能级的粒子加速器上进行实验验证。
弦理论被广泛应用于宇宙学研究中，尤其是在大爆炸宇宙学中。
根据宇宙大爆炸理论，宇宙起源于一次巨大的爆炸，从而形成我们所见的宇宙。
通过弦理论，科学家们可以解释宇宙的起源和演化过程。
根据弦理论的一种扩展模型，我们的宇宙是由一个多维空间中的超级薄弦振动所产生的。
这些超级薄弦在振动的过程中会产生各种不同频率的模式，这些模式对应了我们所看到的不同粒子和力。
这种观点提供了一种统一描述宇宙中粒子和力的方法，从而引出了一系列关于宇宙起源和演化的问题。
根据弦理论的模型，在宇宙大爆炸之后的宇宙中，由于弦振动的特性，宇宙会经历一个快速膨胀的阶段，被称为暴涨宇宙学。
这个阶段的膨胀速度非常快，远远超过光速，导致宇宙的尺度迅速增加。
暴涨宇宙学提供了解释宇宙中均匀性和各向同性的方式，解释了为什么当我们观测深空背景辐射时，它的温度非常均匀。
除了暴涨宇宙学之外，弦理论还可以帮助解释黑洞的性质和行为。
根据弦理论，黑洞是由于空间中弦的重力效应而形成的。
弦理论预测了黑洞的熵和辐射，这与传统的基于爱因斯坦广义相对论的理论相一致。
然而，弦理论还提供了更深入的对黑洞物理的理解，从而帮助解释黑洞的微观结构以及它们与量子力学的关系。
此外，弦理论还对宇宙中的暗物质和暗能量提供了新的解释。
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杂， 较大尺度上的物理可以用较少参数的可重正化
)! 弦论与量子引力
$% 世纪的物理学的颠峰之一是量子场论+ $% 世 纪初人们建立了量子理论和相对论， 这两个理论是 整个 $% 世纪新物理学的基石+ 到了 $% 世纪下半叶， 量子理论与相对论的结合成了理解一切微观世界的 基础+ 人们发现， 所有的微观物理现象特别是基本相 互作用都可以用量子场论来描述+ 不仅如此， 一些复 杂的现象如凝聚态物理中的许多问题也可以用量子 场论来研究+ 基本相互作用之所以可以用量子场论来描述， 除了因为一切现象满足量子力学的规律以及相对论 以外， 另一个深刻的原因是较大尺度上的物理现象 相对独立于较小尺度上的物理现象， 较小尺度的物 理过程对较大尺度上的物理过程的影响可以通过很 少的参数来体现+ 用专业的术语来说， 就是重正化群 效应的体现+ 换言之， 不论小尺度上的物理如何复
! "# 卷（ $%%& 年） ’期
的量子场论来描述+ 当然， 我们这里所谈的较小尺度 和较大尺度也是相对而言+ 在粒子物理中， 较大尺度 指的是物理过程发生的时空区域， 在最高能的加速 器上， 这个区域大约是 )% J )M 48 左右， 小于这个尺度 上的物理有待于下一代加速器来探测+ 重正化的粗粒化过程也许在量子引力中失效+ 要理解这一点， 我们需要了解量子引力理论的发展 史+ 引力量子化直到 $% 世纪 M% 年代才被人们严肃 对待， 到了 N% 年代， 初步的量子化尝试说明通常的 量子场论方法在这里完全不适用+ 量子场论中最常 用的办法是先确定一个经典过程或者经典背景， 然 后假定在这个经典背景下场的量子涨落比较小， 可 以用一个或几个小参数来控制， 较小尺度上的量子 涨落的效应只是改变这几个小参数+ 最简单的例子 是电磁相互作用， 一个电子会辐射出虚光子， 而一个
! "# 卷（ $%%& 年） ’期
洞的观察者来说才是存在的( 所以， 黑洞的质量越 大， 我们对其所占的不可观测到的空间也就越大( 在 高能散射过程中， 当能量足够大时， 一些作为中间态 的 “ 虚” 黑洞会被产生出来( 参与散射的初始粒子的 能量越高， 产生的黑洞的质量越大， 从而其所占的空 间也就越大( 黑洞只是中间态， 或迟或早地要衰变( 黑洞越大， 其衰变后的典型粒子的能量就越低( 我们 看到， 我们尽可以提高初始粒子的能量， 但是末态粒 子的能量反而会越来越小， 这看起来就是紫外 ) 红外 关系( 在量子力学中， 如果我们要探测越来越小的距 离， 我们必须增大初始粒子的能量， 现在我们看到， 如果能量超过一定的值， 黑洞作为中间态产生了， 我 们反而不能探测到越来越小的距离， 因为黑洞的越 来越大的视界限制了这种探测， 或者说， 黑洞衰变的 低能粒子使得被探测的空间更加模糊( 上面谈到的是黑洞与紫外 ) 红外对应的关系， 其 实黑洞也与时空不可对易性相关， 不过要了解黑洞 与时空的不可对易性的关系需要更多的专业知识， 我们这里就不加讨论了( 虽然弦论中有许多证据说明时空的微观结构与 我们想象的很不相同， 我们却没有很好的数学表述 从一开始就将这些结构纳入理论框架( 迄今为止最 好的理论框架也许是所谓的矩阵理论( 矩阵理论的 构造基于弦论中的零维的 * 膜， 也就是 * 粒子( 这 些粒子在弦论的强耦合极限下成为 ++ 维时空中的 沿着一个固定方向的引力波( 矩阵理论猜测， 在这个 极限下， 整个理论由这些 * 粒子的动力学给出( * 粒子和其他 * 膜一样， 动力学由一个矩阵力学给 出， 矩阵的对角元对应于 * 粒子的空间位置， 非对 角元是联结 * 粒子之间的开弦， 当 * 粒子靠得很近 时， 对角元与非对角元的区分变得模糊， 所以 * 粒 子的相对位置没有严格的定义， 或者我们可以说， * 粒子的位置空间变成了整个矩阵描述的非交换空 间( 这个非交换空间某种程度上反映了弦论中的时 空性质(
物理
宇宙学专题 据越来越大的空间， 而大空间与红外自由度有关系( 所以， 在弦论中红外自由度不完全独立于紫外自由 度( 普通的量子场论中不存在紫外 ) 红外关系( 如果 我们假定不同方向的空间坐标之间是不可交换的， 在这样的空间上建立量子场论， 我们发现某种紫外 ) 红外关系就会出现( 我们看一个最简单的例子就知 道为什么会有这样的关系： 假设只有两维空间， 两个 空间坐标的对易子是一个常数， 这个对易子很类似 量子力学中坐标与动量之间的对易子( 所以， 也会有 类似的测不准关系， 在 ! 方向的测不准乘以在 " 方 向的测不准不能小于一个常数( 如果场论中的一个 事件在 ! 方向有很准确的位置， 那么这个事件在 " 方向的位置就很不准确， 前者对应于小距离也就是 紫外区域， 后者对应于大距离也就是红外区域( 这 样， 紫外与红外就不是两个独立的区域( 当然， 这种 紫外 ) 红外关系比较人为， 因为我们强制地引入不对 易的空间( 不但如此， 不是任何量子场论在不对易的 空间中都有很好的定义， 我们所知道的非对易量子 场论都来自于弦论中的一些例子( 例如， 如果在 * 膜上引入一个均匀的磁场， 那么垂直于这个磁场的 两个空间方向就是不对易的( 虽然不对易量子场论有些人为的安排在里面， 但它却反映了弦论的一个基本特点， 那就是不同的 空间之间甚至空间与时间之间是不可对易的( 在弦 论中， 我们不需要人为地引进磁场就会发现时间和 空间之间是不可对易的( 不过， 时空不对易性与量子 力学中的坐标与动量的不对易性不同， 因为弦论中 并不存在时空坐标之间的非平庸的对易子， 时空的 不可对易性隐藏在弦论的物理过程中( 我们相信， 正 是这种隐藏的不可对易性保证了弦论中不出现量子 场论中的紫外发散( 弦论中的紫外 ) 红外对应以及时空不对易性来 自于基本激发态的延展的特点， 例如弦和膜， 似乎和 量子引力本身没有关系， 但是弦的激发态中自动包 括引力子这个事实说明， 这些延展体带来的特性肯 定与量子引力有关( 我们现在还不知道如何将时空 不对易性直接与量子引力联系起来， 但有一个间接 的证据， 这个间接的证据与黑洞有关( 众所周知， 黑洞的大小与质量成正比( 决定黑洞 大小的是其视界的尺度， 对于一个外部观察者来说， 时空到了视界就中止了， 因为只有在视界外发生的 事件才能被外部观察者所观察到( 时空本身当然可 以延拓到视界的内部， 只是这个延拓只有对掉入黑
宇宙学专题
ห้องสมุดไป่ตู้
第六讲 ! 超弦理论与宇宙学的挑战 !
李! 淼 (
（ 中国科学院理论物理研究所! 北京! )%%%*% ）
摘! 要! ! 超弦理论从根本上改变了人们对时空的看法， 时空在弦论中只是一种宏观体现+ 弦论中的非经典时空 影响早期宇宙的发展， 在一些观测宇宙学的实验中人们也许会发现弦论的效应， 例如微波背景辐射的功率谱的反 常+ 最近发现的暗能量也对弦论宇宙学提出了挑战+ 关键词! ! 弦论， 量子引力， 暴涨宇宙， 暗能量
・ "!!・
"%
了加速膨 胀， 宇宙在极短的时间内就会增大一倍 （ 这个时标还不十分确定， 大约是 $# ) *% +） ! 在这段时 间内， 时空发生了量子涨落， 这些量子涨落由于宇宙 加速的原因被固定了下来， 变成了以后的物质密度 涨落的种子， 我们看到的星系以及星系团结构就是 这些种子导致的引力坍缩的结果! 一个加速膨胀的 宇宙不仅为我们解决了宇宙中最大尺度结构的起 源， 也很有可能给我们带来微观世界的消息， 这是因 为， 加速的宇宙非常迅速地放大了空间， 将比亚原子 还要小的尺度放大到天文尺度， 如果我们足够幸运， 这些放大效应可能保留了只有小尺度上才会发生的 一些物理过程的信息! 所以， 宇宙学观测可能完成实 验室里不可能完成的任务， 甚至会帮助我们来观测 超弦理论中的效应!
$%%& J %& J $& 修回 !! $%%& J %$ J $$ 收到初稿， (! K80/B：8B/L /73+ 04+ 4<
・ 876・
宇宙学专题 虚光子会变成一个正负电子对然后重新湮灭成一个 虚光子， 这种量子涨落的效果是改变电子的电荷大 小! 将这种微扰方法应用到引力中， 人们发现， 原来 的引力理论 （ 爱因斯坦理论） 中的参数的改变不足 以吸收这些效应， 也就是说， 我们需要引进无限多个 参数! 用正规的语言说， 引力的微扰量子化是不可重 正的! 比较直观地说， 引力的微扰量子化是一个不能 作任何预言的理论， 因为我们需要引入无限多个物 理 “ 常数” ! 在过去数十年中， 出现许多试图克服这个基本 困难的尝试， 可以说， 得到相当多人的认可的尝试只 有两个： 一个是所谓的非微扰圈量子引力； 另一个就 是超弦理论! 圈量子引力虽然得到一部分人的追随 和同情， 但是由于理论中的一些基本问题还没有得 到解决， 不能说是一个流行的理论! 超弦理论在过去 的 "# 年中成了量子引力的最为流行的理论， 主要原 因是这个理论直接解决了我们前面所说的不可重正 化的困难! 虽然解决的方案依然是基于微扰论基础 上的， 这并不是说超弦理论直接继承了量子场论的 重正化群的图像! 重正化群的图像在一定范围中还 是正确的， 但不是基本原理了， 我们甚至可以说， 超 弦理论或者任何自洽的量子引力理论在根本上是违 背重正化群的图像的， 至于如何违背， 我们在下两节 中具体介绍! 决定超弦的能标到底是什么？这是一个很重要 的问题， 因为这直接与我们在实验室中能否验证超 弦理论相关! 过去很长一段时间中， 人们认为超弦的 能标接近普朗克能标， 也就是 $# &’， 比现在实验能 够达到的能标高了 $( 个量级， 从而完全排除了在实 验室中验证弦论的可能! 最近几年， 人们发现， 如果 弦论中微观的额外维空间的尺度并不是很小， 超弦 的能标可以远远低于普朗克能标， 甚至低到下一代 加速器所能达到的能标 （ 如欧洲核子中心正在建造 的大型强子对撞机） ! 如果真是这样， 我们很可能在 不远的将来在加速器上直接观测弦的效应， 甚至额 外空间维度! 这当然是一个极端的也是最好的可能， 从纯粹的几率来看， 弦论的能标应该远远高于我们 在不远的未来能够达到的能标， 这样， 寻找弦论的证 据就必须通过别的途径! 宇宙学是最近一些年来的一个有着突飞猛进发 展的领域， 宇宙学的实验不但发现了暗物质和暗能 量， 还验证了大尺度结构形成的理论! 大尺度结构的 最早成因可以追溯到宇宙的极早期， 早到宇宙中还 没有任何物质! 那个时候， 由于某种原因， 宇宙发生