这四种强弱悬殊、性质各异的基本力,完全控制了我们的宇宙。
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。
超弦理论属于弦理论的一种,也指狭义的弦理论,是物理学家追求统一理论的最自然的结果。这里的“超”有超对称性的意思。为了将玻色子(bosons)和费米子(fermions)统一,科学家预言了这种粒子,由于实验条件的限制,人们很难找到这种能够证明弦理论的粒子。超弦理论作为最为艰深的理论之一,吸引着很多理论研究者对它进行研究,如果真是理论预言的那样,我们将有可能建立一种大统一理论,来描述我们的宇宙。
弦论最初在1960年代末被用于解释强相互作用,1974年朱尔·谢克等人提出基本粒子不是点而是一维弦,这被视为弦论的起源。超对称概念首次于1971年出现在弦论的文章里。
1984年秋,迈克尔·格林等人发现了九维空间的超对称理论可以设法解决量子力学的某些不连贯性问题,并展现了统一所有相互作用的潜力。在1984年至1985年期间,研究者们确认了五种不同的超弦理论。
到1990年代初,理论物理界形成了五种10维超弦理论与一种11维超引力理论并存的格局。
1995年,爱德华·威腾提出m理论,试图统一上述六种理论。d膜理论的发展引出了全息原理(AdS/cFt对偶)。
理论后续发展包括对“弦论景观”和多元宇宙的探讨。超弦理论研究中出现的新观念和方法已经在数学和物理的其他领域产生了深远的影响。
超弦理论的基本对象是一维的“弦”,分为开弦和闭弦,而非传统点粒子;弦的不同振动模式对应不同的基本粒子。
该理论的自洽性要求时空为10维(9维空间+1维时间);额外的6维空间高度卷曲(紧致化),尺度极小,因此日常无法观测。
理论名称中的“超”指其包含超对称性,为每个费米子预言一个玻色子超对称伙伴(超伴子),反之亦然。
该理论旨在统一所有基本相互作用(引力、电磁力、强力、弱力),特别是为量子引力提供了可能描述;弦的延展性结构避免了点粒子量子场论中的无穷大(发散)问题。
存在五种自洽的超弦理论(I型、IIA型、IIb型、杂化So(32)、杂化E8xE8);研究表明,存在一个更基本的理论框架,称为m理论,五种超弦理论和十一维超引力理论被认为是m理论在不同极限下的不同表现形式或相互关联的部分,m理论还可能引入不同维度的“膜”作为基本客体。
宇宙学告诉我们,我们肉眼看到的三个空间维数正在膨胀,由此可以推测它们曾经是很小和高度弯曲的。一个自然的可能性是;也许存在与我们观测到的三个空间 维数垂直的其它空间维数,这些额外空间维数曾经是但仍然是很小和高度弯曲的。如果这些维数的尺度是够小,以我们现有的观测手段仍不是以直接推测到,但 是这些维数仍将以许多间接的效应表现出来。
特别地,这是一个强有力的统一观念:在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子,在额外维数空间中,它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上,额外维数还是弦理论不可分割的一部分:弦理论的数学方程要求空间是9维的,再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明,由m理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向,因此理论的最大维数是11维。 最近的一些发展还提出了我们也许生活在低维的膜上面,但是引力仍然是10维的,为了得到现实的3维引力,可以通过引入“影子膜”或者Randall- Sundrum机制。Randall-Sundrum机制是一种束缚引力的新方法,这时,额外维度可以不是很小很小的。通过观测小距离情况下引力对平方反 比定律的偏离,或者是在粒子加速上或者是通过超新星爆发中产生的粒子散射进入额外维度因而看起来像消失一样等等奇怪的现象,也许我们有能力探测到这 些额外维度。弦理论不仅大大地拓展了人们的思维空间,将大大地拓展人们的活动空间。