弦与相互作用统一理论

20世纪,物理学的两个最伟大成就是量子论与相对论。量子场论描述微观世界的基本粒子及其相互作用。广义相对论作为引力理论描述像星体、星系、黑洞及宇宙一类大尺度、巨质量体系。理解一般物理系统要么利用量子场论,要么求助于广义相对论,不会交叉动用这两个不同的理论体系。但是的确存在一些极端物理情景既涉及巨质量(需要广义相对论)又牵连极小距离尺度(需要量子场论),这类体系的正确理解必须建立在一个广义相对论与量子场论相互协调的框架内,换句话说就是需要量子引力理论。典型的例子就是所谓的时空奇异问题(singularities),包括黑洞的中心点、大爆炸前的宇宙状态等。不幸的是量子论与广义相对论并不相互包容。广义相对论的任何量子修正计算都无法得到有意义的物理结果。或者说广义相对论是一个不能重整化的理论。

问题的本质可以追溯为在普朗克尺度量子场论已经难以很好描述粒子之间的相互作用。超弦理论试图用在普朗克尺度修改广义相对论性质的办法,解决量子场论与广义相对论两大基本理论体系的不相容问题。弦理论的基本出发点是:自然界的基本构成不是点粒子而是尺度为普朗克长度大小的一维弦,弦的不同振动模式则构成我们观测到的粒子谱。这种物理图像的基本变更使得引力与量子场论可以自然地融合在一起。超弦理论是目前量子引力理论的唯一候选者。超弦的量子理论没有紫外发散,弦振动谱包含引力子和无质量、自旋为2的基本粒子。因此可以说弦理论提供了一个包含引力与其他相互作用的有限量子理论。但是,超弦理论还存在不少亟待解决的问题。

首先,弦理论是一个10维时空而不是4维物理时空中的自恰理论。其次,自洽的超弦理论并不像我们希望的那样是自然界唯一的描述4种基本相互作用的大统一理论,而是存在5种不同的弦理论,即第一型弦理论、第二型A弦理论、第二型B弦理论、SO(32)杂化弦理论和E 8×E 8杂化弦理论。