什么 是 弦 理论 ？十分钟 了解 弦 理论 、M理论 以及 两次 超弦 革命 What is String Theory? Ten minutes to understand string theory, M-theory, and the two superstring revolutions ¿Qué es la teoría de cuerdas? Diez minutos para entender la teoría de cuerdas, la teoría M y dos revoluciones de supercuerdas Что такое теория струн? Десять минут, чтобы понять теорию струн, М-теорию и две революции суперструн Sicim Teorisi Nedir? Sicim teorisini, M teorisini ve iki süper sicim devrimini anlamak için on dakika

妈咪 说 知识 就是 力量 大家 好 我 是 妈咪 叔 Mommy said knowledge is power Hello everyone, I'm Uncle Mommy

上 一个 专辑 当中 咱们 简要 介绍 了 基本粒子 的 发展 过程 In the last album, we briefly introduced the development of elementary particles

各位 不难看出 人们 为了 研究 一个 很 简单 的 问题 就是 It's not hard for you to see that in order to study a very simple problem,

“ 物质 是 由 什么 构成 的 呢 ？” 为了 这个 问题 前赴后继 几代人 的 贡献 "What is matter made of?" Contributions of generations to the question

终于 算是 有 了 一个 基本 的 框架 今天 咱们 可以 来 回答 这个 问题 了

站 在 基本粒子 的 角度 物质 是 由 夸克 和 轻子 构成 的

然后 光子 、 胶子 、W+- 和 Z0 粒子 用来 传递 三种 相互作用 力 Then photons, gluons, W+- and Z0 particles are used to transmit the three interaction forces

还有 一个 特殊 粒子 —— 希 格斯 玻色子 There is also a special particle - the Higgs boson

它 可以 给 除了 光子 胶子 之外 的 基本粒子 赋予 质量 It can give mass to elementary particles other than photonic gluons

这 就是 人们 目前 得到 的 结果

当然 为了 研究 这些 粒子 的 种种 属性 各种 理论 也 相应 的 诞生 了 Of course, in order to study the various properties of these particles, various theories were also born accordingly.

而且 人们 还 在 不断 的 尝试 着 走上 一条 统一 之 路

也 就是 在 寻找 一种 能够 统一 描述 四种 基本 作用力 的 理论

咱们 先 把 时间 调 回到 1968 年 当时 的 物理学 处于 一个 什么 进展 呢 ？ Let's turn the time back to 1968, what was the progress of physics at that time?

四种 基本 作用力 都 已经 发现 了

但是 只有 引力 和 电磁力 可以 很 好 的 进行 描述

新 发现 的 弱力 和 强力 还 没有 一套 完整 的 理论 基础 呢

不过 正是 在 这 段时间 前后 弱电 统一 了

GWS 模型 一 出来 弱力 被 摆平 了

然而 对于 强力 的 描述 这 段时间 就是 处于 一种 百家争鸣 However, the description of strength is in a kind of contention during this period of time.

各种 理论 相应 被 提出 的 状态

当然 最后 的 结果 你们 都 知道 了

就是 量子 色 动力学 QCD 获得 了 全面 胜利

其他 的 一些 理论 就 逐渐 被 人们 遗忘 了

这 其中 就 包括 弦 理论

好 咱们 的 故事 就 从 1968 年 说起

1968 年 是 CERN 诞生 之后 的 第 14 年

在 CERN 工作 的 众多 物理学家 也 纷纷 加入 了 统治 强力 的 研究 当中 Numerous physicists working at CERN have also joined the ruling power research

这 其中 有 一位 来自 意大利 的 物理学家 叫做 韦内 齐亚诺

别人 研究 强力 都 是从 杨 - 米尔斯 规范 场 开始 的

咱们 之前 介绍 过 杨振宁 先生 开了个 好头 啊

当时 都 感觉 这个 框架 可用

所以 一般 人 都 是 想着 通过 改造 规范 场 理论 来 描述 强力

韦内 齐亚诺 没有 他 属于 另辟蹊径 Veneziano does not belong to the other way

自己 构造 了 一个 函数 用来 描述 强力 过程 中 的 一些 散射 情况 Constructed a function to describe some scattering situations in the strong process

后来 发现 这个 函数 早就 有人 给出 过

就是 数学 大帝 欧拉 大神

欧拉 早 在 200 多年 前 就 研究 过 一种 积分 函数 Euler studied an integral function more than 200 years ago

现在 就 叫做 欧拉 积分

这里 边有 两个 函数 分别 是 伽马 函数 和 贝塔 函数

这个 贝塔 函数 正是 韦内 齐亚诺 给 出来 的 结果

当然 这 段 故事 有人 说 是 韦内 齐亚诺 有 一天 随手 翻阅 了 一本 数学 书 Of course, some people in this story say that Veneziano flipped through a mathematics book one day.

发现 了 欧拉 的 贝塔 函数 就 拿 过来 用 了

对此 韦内 齐亚诺 本人 表示 很 不 开心

说 我 辛辛苦苦 研究 的 结果 就是 恰好 相同 了 而已

咱们 不管 了 韦内 齐亚诺 发现 这个 贝塔 函数 可以 处理 一种 强力 模型 Let's leave it alone, Veneziano found that this beta function can handle a brute force model

就是 具有 4 个 粒子 的 散射 模型 现在 叫做 韦内 齐亚诺 模型

若干年 之后 人们 才 意识 到 韦内 齐亚诺 这 是 挖 到 宝贝 了

随后 南部 阳一郎 等 人 就 开始 研究 韦内 齐亚诺 模型

就是 为什么 这个 贝塔 函数 可以 描述 强力 的 某些 散射 模型 呢 ？

结果 他们 惊奇 的 发现

在 韦内 齐亚诺 的 方程 中 粒子 可以 被 看做 是 某种 特定 的 空间 延伸 量 In Veneziano's equations a particle can be thought of as a certain spatial extension

说白了 也 就是 一根 弦

这根 弦 受到 两个 力 可以 达到 平衡 状态 The string is in equilibrium with two forces

一个 是 自身 的 张力 就 像 橡皮筋 儿 一样 将 两端 向 里拉 One is that its own tension pulls the ends inward like a rubber band

另外 一个 是 旋转 离心力 就 像是 螺旋桨 一样 The other is that the centrifugal force of rotation is like a propeller

弦 的 两端 受到 斥力 两个 力 恰好 平衡

不过 理论 上 这 两个 力 都 特别 大

每根 弦 的 张力 达到 13 吨 左右 Tension per string reaches around 13 tons

这个 结果 有点 出乎意料

因为 正常 来说 在 所有 理论 里 粒子 都 是 概念 点 Because normally in all theories particles are conceptual points

就 像是 牛顿 力学 里面 的 质点 一样 这 怎么 还 能 当成 弦 呢 ？ Just like the particle in Newtonian mechanics, how can it be regarded as a string?

后来 又 出现 一个 大佬 叫做 施瓦茨 他 把 弦 论 正式 引入 到 夸克 模型 Later, there was a big guy named Schwartz who formally introduced string theory to the quark model

就是 咱们 在 上期 说 的 夸克 为什么 禁闭 啊 ？

因为 夸克 之间 是 由 弦 连接 的 这个 力 巨大 到 无法 将 他们 分开 Because the quarks are connected by strings, the force is too great to separate them

夸克 禁闭 在 当时 就是 未解 之谜 啊 虽然 在 现在 也 是 Quark confinement was an unsolved mystery at the time, even now

不过 当时 有人 能 给出 一个 原因 那 自然 会 很 受欢迎 啊

所以 弦 理论 逐渐 走入 了 人们 的 视野

但是 很快 问题 也 出现

根据 施瓦茨 的 计算 处于 基态 的 弦 应该 具有 虚 质量

基态 就是 最低 能量 态 除此之外 都 叫做 激发态

虚 质量 就是 质量 的 平方 得 是 负数

我们 知道 0 质量 的 光子 速度 最快 也 就是 光速 We know that the fastest photon of 0 mass is the speed of light

虚 质量 的 粒子 就是 所谓 的 快子 它 的 速度 比 光速 还 快

虽然 这事 在 相对论 当中 允许 出现

就是 你 可以 快过 光速 只要 速度 不 降到 光速 以下 就行 That is, you can go faster than the speed of light as long as the speed doesn't drop below the speed of light

但是 谁 也 没见 过 快子 啊 过于 抽象

不仅如此 如果 弦 理论 要 想 成立 在 数学 上 它 必须 得 是 26 维 的

这 事儿 跟 谁 说 谁 也 不信 啊

到 了 1971 年 又 一个 理论 诞生 了 叫做 超 对称 理论

啥意思 呢 ？ 咱们 之前 说 过

质子 和 中子 为啥 性质 这么 像 啊 ？ 因为 同位 旋 对称 记得 吧 ？ Why are protons and neutrons so similar? Because of isospin symmetry, remember?

超 对称 说 的 就是 费米子 和 玻色子 之间 应该 也 具有 某种 对称性 Supersymmetry means that there should also be some symmetry between fermions and bosons

这个 对称性 导致 的 结果 就是 每个 粒子 都 应该 有 自己 的 超 伴子 The consequence of this symmetry is that every particle should have its own superpartner

就是说 费米子 应该 有 它 的 玻色 伴子

玻色子 应该 有 它 的 费米 伴子

这 就 相当于 把 基本粒子 的 数量 翻 了 一倍 啊

但是 人们 一个 也 没 看见

紧接着 量子 色 动力学 QCD 就 诞生 了

这个 诡异 的 弦 理论 和 超 对称 理论 就 被 人们 抛弃 了

只有 施瓦茨 没有 放弃

他 在 1974 年 借鉴 了 超 对称 的 思想 又 尝试 用弦论 来 描述 费米子 In 1974, he borrowed the idea of supersymmetry and tried to use string theory to describe fermions

在 这个 数学模型 中 自动 会 出现 一个 质量 为 0 自旋 为 2 的 粒子

同样 这个 粒子 在 人们 发现 的 粒子 家谱 当中 也 找 不到 相应 的 位置 Similarly, this particle cannot find a corresponding position in the family tree of particles that people have found.

于是 他 就 开始 想着 法 尝试 如何 在 数学 上 避免 这个 新 粒子 的 出现 So he began to think about how to mathematically avoid the emergence of this new particle

到 了 1980 年 施瓦茨 和 格林 两个 人 合作 终于 将弦论 和 超 对称 理论 统一 了 In 1980, Schwartz and Green collaborated to finally unify string theory and supersymmetry theory.

给出 了 第一个 版本 的 超弦 理论

最 主要 的 他们 发现 超弦 理论 用来 描述 强力 总是 和 实验 不符

因为 会 出现 结果 的 无穷大

但是 用超 弦 理论 来 描述 引力 就 不会 出现 这个 无穷大

所以 人们 终于 明白 了

这个 质量 为 0 自旋 为 2 的 粒子 正是 用来 传递 引力 的 引力 子 This particle with mass 0 and spin 2 is the graviton used to transmit gravity

正愁 着 没有 理论 统一 引力 呢

这 忽然 冒出来 一个 从 微观 角度 出发 似乎 可以 描述 引力 的 理论 Suddenly a theory appeared that seemed to describe gravity from a microscopic perspective

人们 很 开心 啊

并且 施瓦茨 和 格林 将 数学 上 的 26 维 降到 了 10 维 And Schwartz and Green reduced the mathematical 26-dimensional to 10-dimensional

通过 10 维中 的 弦 的 不同 振动模式 就 可以 得到 各种 粒子

到 了 1984 年 施瓦茨 和 格林 又 提出 一种 新 的 对称 SO（32）

它 可以 消除 所有 的 畸变 和 无穷大 it removes all distortion and infinity

让 人们 再次 看到 了 弦 论 的 厉害 之 处

所以 超弦 理论 被 人们 视为 万有 理论 的 最佳 选择 Therefore, superstring theory is regarded as the best choice for the theory of everything.

更多人 加入 了 超弦 理论 的 热潮 由此 爆发 了 第一次 超弦 革命 More people joined the craze for superstring theory and the first superstring revolution broke out

在 涌入 的 大批 人 当中 就 包括 我们 之前 介绍 过 的 格罗斯

他 和 两个 人 因为 发现 了 渐进 自由 理论 在 2004 年 获得 了 诺贝尔物理学奖 嘛 He and two others won the Nobel Prize in Physics in 2004 for their discovery of the theory of asymptotic freedom.

就是 他 在 第一次 超弦 革命 当中 和 另外 三个 人

哈维 、 马提尼克 、 罗姆 又 共同 建立 了 杂交 弦 理论

或者 叫做 混合 弦 理论 heterotic string

因此 这 四个 人 也 被 称为 普林斯顿大学 的 弦乐 四重奏 So the four are also known as the Princeton String Quartet

到 了 1995 年 超弦 理论 迎来 了 第二次 革命

这个 时候 已经 诞生 了 五种 不同 版本 的 弦 论

就算 是 弦 论 有 希望 称为 第一个 万有 理论

可是 五种 理论 未免 有点 太多 了 吧

这 五个 理论 又 有 什么 关系 呢 ？ 这个 时候 又 一个 神人 出现 了 How are these five theories related? At this time, another god appeared

他 叫做 爱德华 · 威顿

他 证明 了 这五种 弦论 在 本质 上 是 等价 的 用 术语 来说 就是 对偶性 He proved that the five string theories are essentially equivalent, in the term duality

这五种 理论 互为 对偶 具有 相同 的 物理性质

威顿 把 这个 统一 起来 的 弦 论 称作 M 理论 这 就是 M 理论 的 由来 Witten called this unified string theory M-theory, which is where M-theory came from.

在 M 理论 中 空间 具有 11 维 我们 看到 的 维度 只有 4 维

因为 另外 7 个 维度 蜷缩 在 真空 里 这 叫做 紧致化

就是说 另外 七个 维度 会 卷曲 成 一个 圆环状

如果 我们 能够 把 时空 无限 的 放大 放大 到 普朗克 尺度 If we can zoom in infinitely to the Planck scale

就 会 看到 一个个 由 7 维 时空 构成 的 圆环 You will see a ring composed of 7-dimensional space-time

这 就 像是 一根 水管 如果 你 离远 了 看 它 就是 一条线 It's like a water pipe if you look away it's a line

但是 离近 了 看 就 会 发现 它 是 有 横截面 的 But if you look closely, you will see that it has a cross section.

至此 人们 也 意识 到 了 物质 的 基本 结构 可以 不是 一维 的 弦 At this point, people have also realized that the basic structure of matter may not be a one-dimensional string

也 可以 是 二维 的 膜 三维 的 方块 等等

M 理论 的 第一次 验证 是 在 1996 年

早 在 1974 年 霍金 提出 了 黑洞 熵 理论 As early as 1974, Hawking proposed the black hole entropy theory

他 认为 黑洞 并 不是 完全 “ 黑 ” 的

而是 会 向 外 辐射 能量 所以 黑洞 必须 有 熵 Instead, it radiates energy outward, so black holes must have entropy.

1996 年 哈佛大学 的 Strominger 和 Vafa

发现 通过 M 理论 计算 的 黑洞 熵 符合 霍金的 预测

至此 人们 更加 相信 M 理论 能够 统治 宇宙 So far people are more convinced that M-theory can rule the universe

也 是 掀起 了 第二次 革命 的 热潮

但是 即便如此 M 理论 同样 也 有 很多 弊端 But even so, M-theory also has many drawbacks.

就 比如 它 在 求解 方程 的 时候 甚至 连 方程 都 是 近似 的 更 别说 结果 了 For example, when it solves equations, even the equations are approximate, let alone the results.

再 加上 难懂 的 数学 基础 使 人们 研究 M 理论 的 门槛 大大提高 了

还有 如果 想要 验证 M 理论 的 正确性 按照 目前 的 技术手段 来说 And if you want to verify the correctness of M theory, according to the current technical means

我们 需要 一个 能量 高到 无法 想象 的 加速器

这些 都 是 短期内 不能 实现 的 These are not possible in the short term

不过 也许 在 不久 的 将来 我们 能够 见证 弦 理论 发挥作用 的 时刻 But maybe in the near future we'll be able to witness the moment when string theory comes into play

好 今天 咱们 就是 简单 介绍 一下 弦 理论 的 发展

至于 M 理论 能 不能 成为 第一个 万有 理论 呢 ？ 咱们 拭目以待

我 是 妈咪 叔 一个 较真儿 的 理工 男

下期 见 拜拜