Physics 版 (精华区)

发信人: oldsailor (老水手), 信区: Physics
标  题: 历史的玩笑：回到11维
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月08日13:17:47 星期天), 站内信件

广义相对论没有对时空维数规定上限，在任何维黎曼流形上都能建立引力理论。超引力
理论却对时空维数规定了一个上限——11维。更吸引人的是，已经证明，11维不仅是超
引力容许的最大维数，也是纳入等距群SU（3）×SU（2）×U（1）的最小维数。
描述强力的标准模型，即量子色动力学，是基于定域对称群SU（3）的规范理论，它的量
子叫做胶子，作用于一个叫“色”的内禀量子数上。描述弱力和电磁力的温伯格－萨拉
姆模型，是基于SU（2）×U（1）的规范理论。这个规范群作用在“味道”上，而不是在
“颜色”上，它不是精确的，而是自发破缺的。由于这些理由，许多物理学家开始探讨
11维的超引力理论，期望这就是他们寻求的统一理论。
然而，在手征性面前，引力理论的一根支柱突然倒塌了。手征性2是自然界的一个重要特
征，许多自然对象都有类似于人的左手与右手那样的对称性。像中微子的自旋，就始终
是左手的。
20世纪20年代，波兰人卡卢扎（T.Kaluza）和瑞典人克莱因（O.Klein），发现从高维空
间约化到可观测的4维时空的机制。若11维超引力中的7维空间是紧致的，且其尺度为10
－33厘米（缘此其不被觉察），就会导出粒子物理标准模型所需的SU（3）×SU（2）×
U（1）对称群。但是，在时空从11维紧致化到4维时，却无法导出手征性来。到了1984年
，超引力丧失领头理论地位，超弦理论取而代之。当时，“让11维见鬼去吧！”——“
夸克之父”盖尔曼（M.Gell－Mann）的这句名言，表达了不少物理学家对11维的失望情
绪。
从1984年起，人们认定10维时空是最佳选择，10维时空的弦论替代了11维时空的超引力
理论。曾流行过五种弦论，其不同在于未破缺的超对称性荷的数目，以及所带有的规范
群。在10维时空中，最小的旋量具有16个实分量，有三种弦论的守恒超荷恰巧对应于这
种情况，它们是类型Ⅰ、杂优弦HE和HO。其余两种弦论含有2个旋量超荷，称为类型Ⅱ弦
。其中，类型ⅡA的旋量具有相对的手征性，类型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO
二种杂优弦，分别带有E8×E8规范群和SO(32)规范群。类型Ⅰ弦也具有SO(32)规范群，
它是开弦，而其余的4种弦是闭弦。重要的是，它们都是反常自由的，即弦论提供了一种
与量子力学相容的引力理论。在这些理论中，HE弦至少在原则上能解释所有已知粒子和
力的性质，当然也包括手征性在内。
然而，弦论绝非美仑美奂，至少可从四方面对它诘难。首先，人们本将弦论当作物理统
一理论来追寻，它的五种不同理论却又给出了五种不同的宇宙，若人类生活在其中的一
种宇宙之中，那么其余四种理论描述的宇宙，又是何等样的生物居住其中呢？其次，若
将粒子看作弦，那为什么不将它们看作膜，抑或看作p维客体——胚(brane)呢？再者，
关于弦论的实验验证，传统的粒子加速器方法，显然受到技术和经费两方面限制，然而
新的方法又在何处？最后，超对称性容许时空的最大维数是11维，为什么弦论只到10维
就戛然而止了呢？余下的那一维是逃逸了，还是隐藏起来了呢？　　历史真会开玩笑，
在人们让11维“见鬼”十年之后，1994年开始了弦论的第二次革命。此后，五种不同的
弦论在本质上被证明是等价的，它们可以从11维时空的M理论导出。经历了十年艰苦卓绝
的辛劳，人们居然又回到了原来的时空维数，否定之否定实在是条奥妙的哲理。
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                          漂泊多年  终于发现  

                          夕阳并非远在天边  而是就在眼前

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