超弦理论能否成为统一宇宙的理论

经典物理学由伽利略、牛顿等人于17世纪创立，经过多个世纪的发展，日臻成熟，其主要描述的是宏观世界的基本现象和原理。然而随着科学的发展，经典物理受到挑战，如黑体辐射，光电效应，康普顿散射，氢原子光谱实验，波粒二象性实验都无法用它来解释。直到20世纪末科学家们创立量子力学，这些现象才得到合理的解释。量子力学解决了大部分相互作用的难题，除了广义相对论中的引力外。

一、超弦理论的由来

量子力学的出现弥补了经典物理学的不足，但并不能将这个世界乃至宇宙的现象统一起来。多年来科学家一直在寻找或建立统一的宇宙理论，1968年意大利物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺发现欧拉公式能解释强作用力。后来美国物理学家李奥纳特·苏士侃进一步将欧拉公式理解为类似一小段有弹性可以扭曲的橡皮筋，随后这一理论逐渐发展成为“弦理论”。今天我们所说的超弦理论就是属于弦理论的一个部分，它是由日本物理学家南部阳一郎等科学家提出。“超弦理论”是建立在超对称理论（每一种基本粒子都有“伴侣”的超对称粒子）基础上的弦理论，简称“超弦理论”。

二、超弦理论的基本理论

1.物质由弦构成

众所周知，我们的世界由基本粒子组成，即电子、夸克（上夸克、下夸克）以及夸克的“伴侣”粒子轻子（电中微子和电子）等。其实组成世界的基本粒子多达12种，除了上、下夸克、电中微子、电子外，还有与之性质相同但质量不同的第2代、第3代基本粒子各四种。如果再深入展开讲述的话还有“反粒子”，由于篇幅有限这里不再赘述。

超弦理论认为，所有基本粒子都是由同一种弦来构成，是的，你没听错，是同一种弦。那么问题来了，同一种弦如何产生不同基本粒子呢？乐器上同一根弦振动的方式或频率不同将产生不同的音调，超弦理论的观点与这个原理类似，即弦振动模式不同产生性质不同的基本粒子。这是不是与道家的思想“道生一，一生二，二生三，三生万物”有异曲同工之妙呢，而弦扮演了“道”的角色，归根结底它就是万物之源。

2.弦的基本知识

想理解超弦理论的知识，须首先试着去接受它的正确性，这是前提。

① 弦是最小单位

弦理论认为弦与现实中的丝线、线段、橡皮筋等不同，它是1维物体，没有质量，是最小的单位，不存在“弦的原子”说法。研究认为，弦非常小，长度约为10（-35次方）米，这是一个什么概念，人体细胞大小约10-5米，构成细胞的原子约10（-10次方）米，可以想象一下弦是多么的小。

② 弦的形态及运动

弦可以一分为二，也可以合二为一；弦可伸缩亦可膨胀，也可旋转；弦的两头连接起来形成圈状称之为“闭弦”，有两个端点的弦称之为“开弦”，“开弦”连接起来形成“闭弦”，“闭弦”断开形成“开弦”，两根“闭弦”可以融合形成一根“闭弦”，一根“闭弦”也可以分裂成两根“闭弦”。这些就是“弦”的基本形态和运动。

③主张的9维度空间

正所谓维度指的是空间维数与“能够相互正交（垂直相交）的线的最大值”一致。我们所生活的空间为3维度空间，即一个能描述的长、宽、高的空间。超弦理论认为我们的空间是9维度空间，其中3维是显现出来的，而剩余的6维是卷曲隐藏起来的。3维度我们是可以描述出来的，9维度如何描述？可用数学的方法可简单给大家解释，小学的数学告诉我们一个3维立方体的体积是边长的立方，那么9维立方体的体积就是边长的9次方，这样大家就可以理解了吧。

2.弦把四种“力”的统一起来

众所周知宇宙中存在的已知四种力，即电磁力相互作用力、强相互作用力、弱相互作用力、引力。

（1）研究表明电子之间总是在不断交换光子，电子释放光子给另一电子吸收这个过程中会产生动量，从而出现起电子互相排斥现象，这一过程也是产生电磁力相互作用的过程，光子作为基本粒子充当着传递电磁力的角色。

（2）夸克构成了原子核的质子和中子，而夸克之间通过交换胶子产生强相互作用力，强相互作用力能把夸克牢牢结合在一起。

（3）“幽灵”粒子中微子能轻轻松松穿透地球，当它与电子或夸克接近时，通过交换“弱玻色子”而产生弱相互作用力而发生碰撞。

（4）地球会围绕太阳公转，这样的运动周而复始，之所以产生这种现象是因为万有引力的作用。广义相对论认为，大质量天体会使得周围时空会扭曲，从而形成引力。同样道理，科学家们假想天体之间通过传递“引力子”产生引力。

超弦理论认为宇宙中的一切物质都是由弦构成的，弦与弦之间通过交换（释放和接收）弦来产生各种力，这样一来超弦理论就可以把四种力统一起来。

三、宇宙可能是“膜”

随着对超弦理论深入的研究，科学家们认为闭弦聚集形成了膜状的物质。而我们所存在的宇宙可能是漂浮于高维度度空间中的膜。

开弦是构成物质的基本粒子以及引力子之外传递力的基本粒子，它是开放的弦，两端可附着在D膜上或随意移动；闭弦两端闭合无法附着在D膜上，因此可向更高维度转移。

与其他三种力相比，引力在我们现实生活中其实很微弱，举个例，例如握在手中的细铁丝能被磁铁所产生的磁力能吸引，而地球相对磁铁来说大得多，它所产生的引力却无法对抗小磁铁。用超弦理论就可以解释得通，传递引力的闭弦（引力子）脱离D膜的束缚向3维空间以外的空间分散，从而导致引力的削弱。

四、物理定律与超弦理论

我们常常觉得无法理解：为什么我们所存在的宇宙中有诸多物理定律，他们的存在是否是巧合？

根据超弦理论认为，我们所生存的世界不仅是3维而已，还存在多维度，如6个维度等，而诸多的物理法则则是由这些额外的6个维度及D膜的分布方式来决定的。额外维度的形状决定着基本粒子的样子，及基本粒子或物质之间的关联。

额外维度如果过度卷曲，就会形成“卡比拉-丘流形”（如下图），这样就能形成10的500次方种物理定律，这将是很难想象的，宇宙中还有多少不可思议的事情发生呢。

五、超弦理论是否是终极理论？

经过几十年的研究，超弦理论已经有了很大的发展，已经发展成为了5种理论，即Ⅰ型、ⅡA型、ⅡB型、杂化E8×E8型、杂化SO（32）型等。但超弦理论还存在诸多的不足，大部分还只是停留在理论阶段，甚至有很多科学家反对这个理论，称之为伪科学。超弦理论是否是科学的理论，它能否成为统一宇宙的理论，无论如何相信时间能给出答案，科学能给出答案。