弦學

弦學即是弦理論是理論物理學上的一門學說。弦理論用一段段“能量弦線”作最基本單位以模擬世界上所有物質結構，大至星際銀河，小至電子、質子及夸克一類的基本粒子都由這一維的“能量線”所組成。中文文獻上，一般寫作“弦”或“弦”。

較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成，也是廣為接受的物理模型，也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題，但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來，弦理論的基礎是波動模型，因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體，還包含了點狀、薄膜狀物體，更高維度的空間，甚至平行宇宙。值得注意的是，弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測，關於這一點，以下內文會說明。

基本介紹

• 中文名：弦學
• 別名：弦理論
• 源於：理論物理學
• 基本單位：“能量弦線”

發展歷史

弦理論的雛形是在1968年由Gabriele Veneziano發現。他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學函式，然後在一本老舊的數學書里找到了有200年之久的Β函式（Euler Beta Function），這函式能夠描述他所要求解的強作用力。不久後李奧納特·蘇士侃發現，這函式可理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的“線段”.這在日後則發展成“弦理論”。

雖然弦理論最開始是要解出強作用力的作用模式，但是後來的研究則發現了所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反電子，正反中微子等等，以及四種基本作用力“粒子”（強、弱作用力粒子，電磁力粒子，以及引力粒子），都是由一小段的不停抖動的能量弦線所構成，而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線抖動的方式和形狀的不同而已。

玻色弦理論

最早期的弦論叫做玻色弦理論，南部陽一郎給出了最早的作用量，但是該作用量在場論的框架內難以量子化。此後亞歷山大·泊里雅科夫給出了一個等效的作用量，其幾何含義是把時空坐標視為一個世界面的標量場，並且在世界面上滿足廣義相對論的一般坐標變換規則。除此之外，如果要求這個作用量同時滿足在外爾變化下不變，那么自然的會要求這個世界面是一個二維的曲面。

玻色弦理論是最簡單的一個弦論的模型，它最重要的物理圖像是認為物理粒子不是單純的點粒子，而是由於弦的振動產生的激發態。顯然它有很大的缺點，其一是它只簡單描述了標量玻色子，沒有將費米子引入框架內；其二沒有包含一般量子場論中的規範對稱性；其三是當研究它的質量譜時候發現，它的真空態是一組質量平方小於零的不穩定快子。所有這些問題在推廣到超弦理論後得到了很好的解釋。

超弦理論

另外，“弦理論”這一用詞所指的原本包含了26維的玻色弦理論，和加入了超對稱性的超弦理論。在物理界，“弦理論” 一般是專指“超弦理論”，而為了方便區分，較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年代，受弦對偶的啟發，愛德華·維頓猜想存在一11維的M理論，他和其他學者找到強力的證據，顯示五種不同版本的十維超弦理論與十一維超引力論其實應該是M理論的六個不同極限。這些發現帶動了第二次超弦理論革新。

弦理論與大一統理論

弦理論會吸引這么多注意，大部分的原因是因為它很有可能會成為大一統理論。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。除了引力之外，它很自然的成功描述了各式作用力，包含了電磁力和其他自然界存在的各種作用力。超弦理論還包含了組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙，這還是未知數。至今研究員仍未能找到一個弦論模型，其低能極限為標準模型。

額外維

D-膜

由於超弦理論的時空維數為10維，所以很自然的可以認為有6個額外的維度需要被緊化。當對閉弦緊化時，可以發現所謂的T-對偶；而對開弦緊化則可以發現開弦的端點是停留在這些超曲面上的，並且滿足Dirichlet邊界條件。所以這些超曲面一般被稱為“D膜”。 研究員稱D膜的動力學為“矩陣理論”（M理論)，是為“M”字之一來源。

物理或是哲學

在未獲實驗證實之前，弦理論是屬於哲學的範疇，不能完全算是物理學。無法獲得實驗證明的原因之一是尚沒有人對弦理論有足夠的了解而做出正確的預測，另一個則是的高速粒子加速器還不夠強大。

科學家們使用的和正在籌備中的新一代的高速粒子加速器試圖尋找超弦理論里主要的超對稱性學說所預測的超粒子。但是就算是子真的找到了，這仍不能算是可以證實弦理論的強力證據，因為那也只是找到一個本來就存在於這個宇宙的粒子而已，不過這至少表示研究方向是正確的。

物理學中未解決的問題: 是否存在一個精確描述宇宙中萬物的弦理論真空？它是否能以低能量數據一一地確定？

問題與爭論

雖然歷史上，弦理論是物理學的分支之一，但仍有一些人主張，科學。一個有效的理論，必須通過實驗與觀察，並被經驗地證明。不少物理學家們主張要通過一些實驗途徑去證實弦理論。 一些科學家希望藉助歐洲核子研究委員會（CERN，Conseil European Pour Recherches Nucleaires）的大型強子對撞機，以獲得相應的實驗數據——儘管許多人相信，任何關於量子引力的理論都需要更高數量級的能量來直接探查。此外，弦理論雖然被普遍認同，但它擁有非常多的等可能性的解決方案。因此，一些科學家主張弦理論或許不是可證偽的，並且沒有預言的力量。

由於任何弦理論所作出的那些與其他理論都不同的預測都未經實驗證實的，該理論的正確與否尚待驗證。為了看清微粒中弦的本性所需要的能量級，要比實驗可達到的高出許多。弦理論具有很多數學興趣的特性（features of mathematical interest）並自然地包含了標準模型的大多數特性，比如非阿貝爾群與手性費米子（chiral fermions）。因為弦理論在可預知的未來可能難以被實驗證明，一些科學家 問，弦理論甚至是否應該被叫做一個科學理論。它還不能在波普爾的意識（the sense of Karl Popper）中被證偽。但這也暗示了弦理論更多地被看做建設模型的框架。在同樣的形式中，量子場論是一個框架。

弦理論的思想為物理學帶來了一個建議上超越標準模型的巨大影響。例如，雖然超對稱性是組成弦理論的重要一部分，但是那些與弦理論沒有明顯聯繫的超對稱模型，科學家們也有研究。因此，如果超對稱性在大型強子對撞機中被偵測到，它不會被看做弦理論的一個直接證明。然而，如果超對稱性未被偵測出，由於弦理論中存在只有以更加更加高的能量才能看出超對稱性的真空，所以它的缺乏不會證明弦理論是錯誤的。相反，如果日食期間觀測到太陽的引力未使光按預測的角度偏轉，那么愛因斯坦的廣義相對論將被證明是錯誤的。（廣義相對論當然已被證明是正確的。）

在更數學的層次上，另一個問題是，如同很多量子場論，弦理論的很大一部分仍然是微擾地（perturbatively）用公式表達的（即為對連續的逼近，而非一個精確的解）。雖然非微擾技術有相當大的進步——包括猜測時空中滿足某些漸進性的完整定義——一個非微擾的、充分的理論定義仍然是缺乏的。

物理學中，弦理論有關套用的一個中心問題是，弦理論最好的理解背景保存著大部分從時不變的時空得出的的超對稱性潛在理論：弦理論無法處理好時間依賴與宇宙論背景的問題。

前面提到的兩點涉及一個更深奧的問題：在弦理論的構想中，由於弦理論對背景的依賴——它描述的是關於固定時空背景的微擾膨脹，它可能不是真正基礎的。一些人把獨立背景（background independence）看做對於一個量子引力理論的基礎要求；自從廣義相對論已經是背景獨立的以來，尤其如此。