弦理论通常被称为“万有理论”，因为它的目的是描述宇宙中相互作用的所有基本力，包括重力，量子力学和相对论。 这个革命性的概念引入了对时空的新理解；它试图解释诸如黑洞和夸克-胶子等离子体，附加维数和量子涨落等现象之间的联系。
尽管所讨论主题的复杂性，普林斯顿大学教授史蒂芬·加布瑟（Stephen Gabser）提供了宽敞，价格适中且有趣的介绍，介绍了当今物理学领域讨论最多的领域之一。 作者使用最少的数学方法，使用有趣的类比，解释了超对称性，对偶性，时空曲率的本质，以便拥有高中知识的任何读者都可以理解。
虽然弦论的规定尚未得到最终证明，但是，已经向我们揭示的那些秘密使我们能够欣赏宇宙的和谐和谐，并讨论未来发现在高能物理学中的实际应用。
重力与量子力学
量子力学和广义相对论是20世纪初出现的两个凯旋式物理理论，它们相互矛盾。 应用称为“重归一化”的方法时会遇到困难。 我将使用光子和引子的例子讨论重归一化，我们已经在前几章中谈到过。 不一致的本质是光子将我们引向可归一化的理论（即“好理论”），而引力子则导致不可归一化的理论，这实际上意味着我们没有描述光子和引力子的一般理论。
光子与电荷相互作用，但它们本身是电中性的。 例如，在氢原子中具有电荷的电子从一个能级跃迁到另一个能级，就发出一个光子。 这正是我说光子与电荷相互作用时的意思。 光子本身不带电荷的说法等同于光不导电。 如果不是这样，那么您每次都会受到电击，抓住被阳光照射了足够长时间的物体。 光子彼此不相互作用； 它们仅与电荷相互作用。
引力子不响应电荷，而是响应质量，能量和动量。 而且由于它们传递能量，所以它们也彼此相互作用。 看来这并没有带来什么特别的问题，但是正因为如此，我们遇到了困难。 量子力学告诉我们，引力子既表现为波又表现为粒子。 假设粒子是点对象。 引力子的点将吸引您，越靠近它，它就会越强。 它的引力场可以描述为其他引力子的发射。 我们将称重引力子为孕产妇，并称其为引力子-女儿。 引力子附近的引力场非常强。 因此，他的女儿引力子具有巨大的能量和动量。 这直接从不确定性原理出发：子质子引力子与母质子引力子的距离Δx很小，因此根据不确定性关系Δp×Δx≥h /4π，它们的动量不确定性Δp非常大。 问题在于引力子对动量也很敏感。 女儿引力子本身会发出引力子。 整个过程非常迅速地分支和分散：您无法考虑所有引子相互作用的所有后果。
实际上，在电子附近也会发生类似的情况。 如果尝试测量非常接近电子的电场，则会激发它发射出具有很大动量的光子。 这似乎是无害的，因为众所周知，光子不会发射其他光子。 问题在于光子会生出一个电子-正电子对，然后发射出更多的光子，从而产生新的电子和正电子……完全是一团糟！ 最令人惊奇的是，在电子和光子的情况下，您仍然可以完整描述彼此级联的整个粒子。 有时，他们谈论后代中包裹电子的衣服或“皮大衣”。 物理学家使用术语“虚拟粒子”来描述电子后代。 重归一化是一种数学方法，可让您跟踪所有这些混乱情况。
重归一化的思想是假定“裸”电子具有无限的电荷和无限的质量，但是只要我们“穿”上电子，它的电荷和质量便会获得有限的值。
引力子的问题在于我们无法使围绕它的虚拟引子云重新规范化。 相对论的一般理论-引力理论-是不可重整的。 这似乎是一个令人困惑的技术问题：很可能我们只是从错误的角度看问题。 称为“最大超重力理论”的理论将可重新规范化的可能性甚至更低。 但是，我和大多数弦理论家都坚信，将量子力学和重力相结合存在根本的困难。
现在让我们采用弦理论。 以此为基础的初始假设是粒子不是点粒子。 相反，粒子表示为弦的振动模式。 根据公认的弦理论，弦是无限细的物体，但长度有限（大约10-34米），并以引力子的方式相互作用。 停停！ -你抗议。 “但是在这种情况下，难道虚拟粒子云（在这种情况下为虚拟字符串）的普遍问题是否会使我们无法像在引力子的情况下那样跟踪整个交互过程？” 不行 字符串不是点对象这一事实杀死了芽中描述的问题。 在引力子的情况下，困难的根源是假设它们按照术语“点粒子”的大小无限小。 用振动弦代替引力子，可以使引力子相互之间的“尖角”变得平滑。 “在手指上”的解释如下：当引力子产生另一个虚拟引力子时，您可以精确地指出发生这种情况的时间和地点。 但是当字符串分支时，它看起来像是水管的分支。
在分支点处没有断点，图示此过程的Y形图形看起来像是光滑连续的管段，只是形状不正常。 所有这些导致一个事实，即字符串的分割比粒子的分割更“温柔”。 物理学家说，弦乐天生“软”地相互作用，而粒子天生“硬”地相互作用。 就量子力学描述的适用性而言，正是这种柔软性提供了弦论比一般相对论更好的行为。
时空字符串
简要回顾一下我们在谈论琴弦的振动。 如果将弦拉紧在两个销钉之间，然后用锤子将其敲打，则弦将以一定频率振动。 频率是每秒的振荡次数。 除主频率外，钢琴弦还通过泛音振动，泛音是较高频率的振动，使钢琴声音具有特征性的颜色。 在描述电子在氢原子中的行为时，我引用了这个类比：它还具有一个基本振动模式，该模式对应于具有最小能量的基态，而另外一个模式对应于一个较高的能级。
所描述的类比可能无法完全满足您的需求：“那么，氢原子中的电子与琴弦上的驻波有什么关系？” -你问。 最接近类比的是无限小的小行星围绕着微小的太阳在轨道上盘旋-原子核，不是吗？ 这样的比喻好吗？ 是的，没有。 量子力学声称，电子作为粒子的概念与电子作为波的概念如此紧密地纠缠在一起，以至于电子粒子围绕质子的量子力学运动实际上可以描述为驻波。
将钢琴弦与出现在弦理论中的弦进行比较实际上是一种非常正确的方法。 为了避免与不同类型的字符串混淆，我将那些被字符串理论处理的字符串称为“相对论字符串”。 这个术语具有很深的教学意义，因为弦论包括相对论，包括特殊和一般的相对论。 现在，我想谈一谈弦理论的一种构造，这种构造既像钢琴弦，又甚至像弦一样。 相对论字符串可以在称为D-branes的对象处结束。 如果我们忽略与琴弦相互作用有关的影响，那么D琴可以被认为是无限沉重的。 关于D型脑的细节将在下一章中讨论，现在，我可以说是“拐杖”。 最简单的D膜片称为D0膜片（读作“零归零膜片”）。 这是一个点粒子。 我已经听到一些读者对返回点粒子感到愤慨：“作者最近是否没有说过弦理论旨在摆脱点粒子？” 好吧，是的，直到1990年代中期，然后点粒子又回到了弦理论，而不是一个人，而是导致了整个未知动物的动物园。 但是我要超越自己。 我要做的就是给出将弦保持在紧张状态的钢琴弦轴的弦理论模拟，而D0琴在这种情况下是如此合适，以至于我无法拒绝讲述它们。 简而言之，我们将相对论弦拉到两个D0琴之间，就像两个弦钉之间的钢琴弦一样。 D0大脑本身没有附着任何东西，但由于它们具有无限质量，因此它们保持静止。 好笑，不是吗？ 好吧 关于D0琴-在下一章中，现在-仅关于拉伸琴弦。
拉伸弦的最低能量水平对应于没有振动。 好吧……几乎不存在，因为总是存在小的量子振荡，这一事实很重要。 最正确的想象是，较低的能级是在量子力学所允许的范围内具有较小的振动能。 相对论弦的受激能级与其在基频或基频泛音处的振荡相对应，并且它也可以同时在几个频率上振动，就像钢琴弦一样。 但是，就像氢原子中的电子一样，相对论弦不能以任意频率振动。 电子可以从离散集合中选择能级。 相对论字符串是完全相同的。 不同的振动水平具有不同的能量，并且由于质量和能量之间的关系为E = mc2，因此不同的质量对应于不同的振动状态。
如果我能说一个弦的振动频率通过一个简单的E =hν类型的关系与光子的能量相关，那将是很好的，就像光子一样。 不幸的是，这并不是那么简单。 琴弦的总质量由几个部分组成。 其中第一个是琴弦的剩余质量，它对应于两个D0琴之间的琴弦张力能量。 第二个是对应于振动能的质量，该质量又由所有泛音的振动能组成。 回想一下，能量和质量之间的关系为E = mc2。 最后，第三个分量是与不可恢复的量子涨落的能量相对应的质量，称为零点振荡。 术语“零振动”使我们记住了量子涨落的基本必然性。 所以：零点能量对弦的质量的贡献是负的！ 我同意，这很奇怪。 很奇怪 为了说明这有多奇怪，我将举一个例子。 如果将自己限制为弦的单个振动模式，我们将看到该模式的零点振动的能量为正。 每个较高的泛音分别对琴弦能量产生更大的正贡献。 但是，如果我们适当地综合所有泛音的贡献，我们将得到一个负数。 如果您认为这还不够糟糕，那么这甚至是个坏消息：我通过说零点振动能量的贡献为负来掩盖部分事实。 所有这些影响-静止质量，振动能量和零点振动能量-通过其值的平方输入总质量的表达式。 如果零点振动的能量以该总和为主，则总质量的平方为负，这意味着质量本身是虚数的，就像负一的根一样。
在您愤然拒绝这种胡说八道之前，让我补充一下，在弦论中，整个研究专线致力于消除所描述的问题。 简而言之，问题在于相对论弦处于最低能量状态的质量平方为负。 处于这种状态的字符串称为tachyons。 是的，是的，这些是每个系列中与《星际迷航》中的英雄们面对的相同的快球。 这绝对是坏消息。 在我描述的模型中，有可能通过拉远与弦末端相连的D0黄铜来消除负质量平方，使其足够远，以使弦张力能量大于零点振动能。 但是，如果附近没有D0琴，琴弦本身仍然保留。 被剥夺附着物的能力，它会变得自我封闭。 现在，她不再处于某种事物之间，可以波动，但也许不会。 她唯一不能停止的事情就是在量子水平上波动。 而且，像以前一样，量子振荡将这样的弦变成了转速计，这对理论非常不利。 根据现代概念，快球是不稳定的，类似于笔尖上的铅笔平衡。 您可以尝试平衡这种铅笔，但是任何轻微的呼吸都会将其翻转。 包含tachyons的弦理论类似于一种描述数以百万计的铅笔站在边缘填充空间上的理论。
但是，我太夸张了。 有一种节省速度的解决方案。 假设一个测速琴弦的基态对应于假想质量及其平方：m2 <0。振动能量也对质量平方作出了一定贡献。 使用正确的卡座并以必要的方式移交卡片，您可以确保字符串的总质量恰好为零。 之所以令人鼓舞，是因为众所周知，在现实世界中存在无质量的粒子，例如光子或引力子。 因此，如果弦确实描述了真实世界，那么它们必须是无质量的，或更严格地说，弦的至少某些量子态必须是无质量的。
请注意，您需要携带正确的扑克牌。 有了这个比喻，我想说我们需要26维的时空。 您可能已经猜到了一切都会丢掉这个耻辱，所以我不会道歉。 有很多论据支持26个维度，但其中大多数纯粹是数学上的，我担心它们似乎无法使大多数读者信服。 我要提出的论点更具物理性。 我们想获得弦的无质量量子态。 我们知道，量子零振荡会向负方向“推动” m2。 我们也知道，振动模向相反的方向“推” m2。 振动能量的最小可能值不取决于空间的大小，而量子零振动的大小则取决于。 让我们从这一角度来看：当犹豫不决时（例如琴弦或其他东西），它会沿某个方向进行操作。 琴弦沿锤子敲打的方向振动。 例如，琴弦上下摆动，但左右不摆动。 摆动选择一个方向，而忽略其余方向。 相反，量子力学零点振动会在所有可能的方向上发生，并且每个新维的相加会在另一个可能发生振荡的方向上增加量子涨落。 振动的更多可能方向，或所谓的自由度，意味着更多的波动，这导致对m2的较大负贡献。 剩下的只是计算如何选择对振动模式和零振动的总质量的贡献。 事实证明，具有最小能量值的一种振荡模式可以通过一个26维量子零振荡来补偿。 乐观地看待这个问题，因为必要的测量次数可能不是整数！ 例如，对于26个半尺寸，我们将做什么？
如果您还不太了解不同类型的波动，请不要担心。 它们非常相似。 振动模式与量子零振动之间的唯一区别是振动模式可能存在或不存在，而零振动始终存在。 零振动是那些最小的运动，不确定性原理要求其存在。 除主模式外，弦的振动中还存在泛音，从而赋予弦新的量子力学特性。
我更喜欢想象简单机械模型形式的各种模式，例如圆形振动，三叶草形式的振动或扭转振动。每个形式对应一个单独的粒子。换句话说，同一根弦可以根据其上发生的振动的形状充当不同的粒子。但是谈论振动的形式仍然不完全正确，因为这些振动不是机械振动，而是量子机械振动。可以说每个粒子都有自己的量子模，这是更正确的说法。几何形状只是可视化量子力学特性的便捷方法。因此，我们有：好消息，坏消息和非常坏消息。具有不同振动模式的弦线的行为类似于光子或引力子。这是个好消息。他们只能在26维空间中执行此操作。这是坏消息。此外，还有一些振动模式导致假想的质量，并将弦变成快球，这将不稳定性引入了理论。这个消息再可怕不过了。过渡到超弦乐使我们可以治愈tachyons的理论，同时将必需的测量次数从26个减少到10个。此外，超弦乐允许一种新型的振动模式，使其表现得像电子。这真的很酷。而且，如果您仍然可以提出这样的超级二重奏字符串，可以将测量数量减少到四个，那么您可以自己开店销售它们。在这个笑话中只有一小部分笑话。实际上，超级双弦理论有一个变体，称为“具有扩展局部超对称性的弦理论”，可将测量次数减少到四次。不幸的是，这些维度只能成对存在，即要么获得四个空间维度而没有一个时间维度，要么获得两个空间维度和两个时间维度。一言以蔽之没什么好我们需要三个空间和同步测量。在超弦理论的十个维度中，有九个是空间的，一个是暂时的。为了使该理论与现实世界联系起来，有必要摆脱六个额外的空间维度。我想讲很多有关超弦的内容，但是在接下来的章节中将依次等待这个故事。现在，我宁愿集中精力处理速殖子理论。超弦不仅在时空中波动，而且以更复杂和抽象的方式波动。这些特殊类型的波动解决了转速问题，但不是您可能想到的方式。速度子在理论上仍然是具有假想质量的振动模式的解决方案之一，但是诀窍在于，如果考虑将超弦的行为作为光子，引力子，电子或某些其他实际粒子的行为的模式，那么如何不管您如何碰撞这些粒子，无论它们如何相互作用，它们都不会产生快球。速球似乎是可能的，但它们永远不会出现。这意味着该理论仍然在刀刃上保持平衡，但是有一种特殊的对称性可以帮助维持这种脆弱的平衡。这种对称性称为超对称性。物理学家希望在未来的几年中找到超对称性存在的实验证据。如果他们找到了它们，我们中的许多人就会相信超弦乐器。但是关于这一点-在第七章中。»这本书的更多信息可以
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