超弦理论
超弦理论认为，不存在粒子，只有弦在空间运动，各种不同的粒
子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互
作用，所有的物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来解释。
最为奇特的是，弦并不是在平常的三维空间运动，而是在我们无
法想象的高维空间运动。我们过去关于空间的观念都是错误的，
空间正在以一种陌生得令人惊讶的方式活动着。
粒子怎样变成弦？
一连串的疑惑不得不使科学家认真考虑：也许在基本粒子内部存
在一种更深层的结构，这种结构尚未被我们所理解。自20世纪60
年代以来，在科学家孜孜不倦地努力下，一个新的理论逐渐浮出
水面，这就是超弦理论。
超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振
动，就像小提琴琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家
形象地称为“弦”。
拨动吉他一根弦，你会听到一个音。拨动另一根弦，你会听到另
一个不同的音调，因为不同的弦振动的模式不同。一个音乐家通
过一个吉他的六弦合奏，使这些弦在不同频率振动，便可创造出
无数美妙的音乐。
像琴弦的不同振动模式弹出不同的音乐那样，粒子内部的弦也有
不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是
产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定，
电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，
如此等等。
弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈，粒子的
能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。这也是我们熟悉
的现象：
当我们用力拨动琴弦时，振动会很剧烈；轻轻拨动它时，振动会
很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理，能量和质量像一枚硬币的
两面，是同一事物的不同表现：大能量意味着大质量，小能量意
味着小质量。因此，振动较剧烈的粒子质量较大，反之，振动较
轻柔的粒子则质量较小。
依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同
的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成，而所有的弦都是绝
对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的
“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的
交响曲。
在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性。
现在我们明白了，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。
以前，我们想象所有的物质粒子都是点状的东西，没有空间大小。
但现在我们明白了，那一个个点粒子其实并不是一个个实体的点，
而是包含有一片片更微小的空间结构，这样的空间结构的振动乍
看起来像是一个个点，是因为我们目前还没有更精微的探测技术。
物理学家还发现，弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直
接的联系。同样的关联也存在于弦振动模式与其它力的性质之间，
一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。
弦如何运动？
弦本身很简单，只是一根极微小的线，弦可以闭合成圈（闭弦），
也可以打开像头发（开弦）。一根弦还能分解成更细小的弦，也
能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如，一根开弦可以分裂成两根
小的开弦；也可以形成一根开弦和一根闭弦；一根闭弦可以分裂
成两个小的闭弦；两根弦碰撞可以产生两个新的弦。
但是当一根弦在时空中移动时，它就没那么简单了。弦的运动是
如此的复杂，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须
有高达十维的空间才能满足它的运动（十维空间是数学方程计算
的结果）。就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成，而必须
在三维空间中完成一样。
点粒子内部的空间不是三维的，可能还有很多维，这似乎非常不
可思议，不过，认真想起来，高维空间的存在完全是合理的。
为了看清这一点，我们可以举一个水管的例子。我们知道，水管
的表面是二维的，但是当我们从远处看它时，它却像是一维的直
线。这是为什么呢？原来，水管的那两维很不一样，沿着管子伸
展方向的一维很长，容易看到；而绕着管子的那一个圆圈维很短，
“卷缩起来了”，不容易发现。你必须走近水管，才能看清绕着
圆圈的那一维。
这个例子表明了空间维度的一个微妙而又重要的特征：空间维有
两种。
它可能很大延伸得很远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩
了，很难看出来。水管比较粗大，绕着管子的那一维很容易就看
到。假如管子很细——像一根头发丝或毛细管那样细，要看那卷
缩的维可就不那么容易了。
在最微小的尺度上，科学家业已证明，我们宇宙的空间结构既有
延展的维，也有卷缩的维。就是说，我们的宇宙有像水管在水平
方向延伸的、大的、容易看到的维——我们寻常经历的三维，也
有像水管在横向上的圆圈那样的卷缩的维——这些多余的维紧紧
卷缩在一个微小的空间，即使用我们最精密的仪器也根本不能探
测它们。
那些看不见的维可能会有多小呢？我们最先进的仪器能探测到百
亿亿分之一米的结构，如果那些维度卷缩得比这个尺度还小，我
们就看不见了。科学家的计算表明，卷缩的维可能小到普朗克长
度（即10E-33厘米），是目前的实验远远不可能达到的。
为什么需要多维空间？
了解了宇宙的空间有更多维存在，再回过来看相对论与量子理论
是如何产生矛盾的，我们就很容易理解了：这两个理论在日常的
三维空间里是不可能统一的，它们的矛盾是必然的，只有在高维
空间里才能得到统一。
为了更好地理解这一点，我们可以举一个三维世界和二维世界的
例子。我们首先假设有一些生活在二维平面世界的生命，它们的
世界里只有长和宽，根本无法理解第三维——“高”这一维。
因此，它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影，
或者三维物体与平面世界的接触面，试想一想，一个平面生命怎
么能够通过投影来想象三维物体的丰富性和完整性呢？当三维物
体与平面世界接触时，三维物体在平面世界上的零碎片段，比如
一张桌子的四根脚柱、人印在地面上的两双鞋印，更让平面生命
摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢？
它们不能想象，四片互不相连的印迹怎么会构成一张完整的桌子
呢？那断断续续的鞋印上怎么会有一双完整的鞋呢？而且，鞋的
上面竟然还有一个更加完整的人！用二维的眼光来打量这些碎片，
你永远不可能将它们拼成一个整体。
有一天，一个足智多谋的平面生命偶然想出一个绝妙的主意。它
宣布，平面世界之外还有一个“向上”的第三维，如果顺着这些
碎片“向上”看，其实碎片是一个完整的整体！这真是个惊人的
见解，大多数平面生命都困惑不解。
相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似，在我们的三维空
间里，它们就像两块互不相干的碎片，永远也拼合不到一起。但
把空间“向上”抬一抬，把宇宙变为十维空间，相对论和量子理
论这两块看似互不相干的碎片就会令人震惊地结合得天衣无缝，
成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱！虽然我们在
三维空间中无法想象和描述一个多维的空间，但我们却能通过复
杂的数学方程推导出它的存在。
空间如何裂开？
在宇宙的极早期，它诞生的10-43秒内，它的直径仅有10-33厘米，
含有丰富的十维空间，所有的空间维都平等地卷缩在一起。在那
样的空间中，宇宙的能量极高、温度极高，所有四种力都融为一
体，相对论和量子理论可以归结为一个理论。
但是，这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的，就像
胀气太多的气球，于是大<---因相关法律法规和政策受限--->发生了。维度被解散、能量发散、
温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来，逐渐形成了
我们今天可感知的宇宙；而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克
尺度（即10E-33厘米）以内。
当宇宙处在
1032K这样极高的温度（这温度比我们得到的太阳的
温度高1026倍）时，引力与其他的统一力分离开来，引力随着宇
宙的膨胀而不断延伸成长程力。随着宇宙进一步胀大和冷却，其
它三种力也开始破裂，强相互作用力和弱—电力剥离开来。
当宇宙产生10-
9秒之后，它的温度降低到了1015K，这时弱—电
力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一温度，所有四种力都已
相互分离，宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。
稍后，随着宇宙进一步冷却，夸克组合成质子和中子。它们最终
形成原子核。在宇宙产生3分钟后，稳定的原子核开始形成。
当大<---因相关法律法规和政策受限--->发生30万年后，最早的原子问世。宇宙的温度降至3000K，
氢原子可以形成，其不至于由碰撞而破裂。此时，宇宙终于变得
透明，光可以传播数光年而不被吸收。
在大<---因相关法律法规和政策受限--->发生100至200亿年后的今天，宇宙惊人的不对称，破缺
致使四种力彼此间有惊人的差异。原来火球的温度现在已被冷却
至3K，这已接近绝对零度。
这就是宇宙的演变史，随着宇宙的渐渐冷却，力将解除相互的纠
缠，逐步分离出来。首先引力破裂出来，然后强相互作用力，接
着弱力，最后只有电磁力保持不破缺。
空间中的裂缝
超弦理论还给我们带来一个更加令人震惊的结果：我们的空间结
构居然是离散的，而不是连续的！在我们的日常经验中，空间和
时间总是无限可分的，但事实却大谬不然。
空间和时间都有自己的最小值：空间的最小尺度为
10E-33厘米，
时间的最小值是10^-43秒。因为当空间小到10E-33厘米后，时间
和空间就会融为一体，空间维度就会高达十维，在这样的情况下，
即使空间还能分割，那也是我们目前所不能了解的了。
事实上，量子理论就是关于“离散的量”理论，“量子”一词的
含意就是“一个量”或“一个离散的量”。
早在1900年，量子理论刚诞生时，科学家们就发现，在微小的粒
子世界，能量是一份一份发出的，而不是连续发出的。就像人民
币的最小单位是“分”，乒乓球只能一隔一个地买，而不能半个
半个地买，这些都是日常生活中关于事物不可无限分割的例子。
虽然当时科学家已经知道了粒子能量的不连续性，但他们却不知
道为何有这种不连续性，只是被迫接受而已。但现在我们都知道
了，这与空间的不连续性密切相关。正是由于空间有最小的、不
可分割的单位，才会影响到基本粒子的能量发射方式。
现在，我们基于时间和空间是连续的旧理论必须被抛弃，在普朗
克尺度下，弦是一段一段的，开弦就是一段线，闭弦就是一个圆
圈，每一个弦片携带的都是一份一份的动量和能量。
空间具有一个最小的、不可分割的值，这个不可思议的现象会导
致什么样的结果呢？我们很容易想到：我们宏观的空间结构是由
一份份最小的空间包组合起来，在这一份份的空间包中间，极有
可能存在着我们无法探测的空间裂缝！
所谓“虫洞理论”中在空间中凿开一个洞口的设想，从理论上来
说真的是可行的，这就是寻找相邻空间包之间的裂缝，然后用难
以想象的高能量轰开这个裂缝，一个虫洞就出现了！可以说，小
小的十维空间包以及它们之间的裂缝存在于我们空间的每一个角
落，只要我们有足够的能量，我们可以在任何地方凿开一个虫洞。
结语：
超弦理论，它建构了宇宙开始时刻的十维空间图象，随着十维空
间的崩裂，超弦理论也分裂成两个理论——相对论和量子理论，
此后，随着物质丰富性的增加，它们又分裂成更多的理论。
今天，我们不断向上回溯，终于描绘出了极具神秘色彩的十维宇
宙。而宇宙更玄奥的真相，我们仍然无从洞悉和获知！
发表于 2015-3-25 13:16
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