物理中超炫是什么(超弦到底是什么？)

很多人都听说过超弦，知道它是一种物理学理论，但这个玄而又玄的词究竟是什么意思？大多数人就完全茫然了。我的朋友戴瑾博士是一位物理学家，他读博士的时候研究的就是超弦，最近到一个新成立的“北京超弦存储器研究院”工作。他写了一篇文章《超弦到底是什么？》，下面我就结合自己的理解向大家介绍一下。

大家都见过琴弦，比如吉他或者古琴的弦。琴弦能发出特定频率的声音，为什么？因为在两端固定的情况下，它只能出现某些特定的振动模式，其中除了两个端点之外还有一些点不动。这样的点叫做节点，这样的振动叫做驻波。随着节点的数量从0到1到2到3，振动模式的波长就从弦的长度到它的1/2、1/3、1/4，频率就从基频到它的2倍、3倍、4倍，这些高频的振动就是泛音。多个振动模式可以叠加起来，合成复杂的振动模式。不同乐器中这些泛音的比例不同，就形成了不同的音色。

以上是日常生活中就能接触到的物理。超弦理论在此基础上做了一个巨大的飞跃，它认为：我们的整个世界就是由振动的弦组成的！

你可能会问：那粒子到哪儿去了？回答是：粒子就是弦的振动模式。不同的振动模式对应不同的粒子，比如电子、夸克、光子。

为什么要提出这样的理论？首先要明白正统的物理学理论遇到了什么困难。它叫做量子场论，最基本的困难就是发散，即许多物理量的计算值是无穷大。

为什么会发散？因为基本粒子都是点粒子，它们的半径是0。物理学中的静电作用和引力作用都是和距离的平方成反比的，当考虑一个粒子跟自己产生的场相互作用时就会出现除以0，变成无穷大了。

你可能会说：那让基本粒子有大小不就行了？不行，那样带来的问题更多。如果粒子是一个有限大小的球，它的场就会在直径的范围内都发生相互作用。这不但会让方程变得无比复杂，而且会造成超光速作用，违反相对论。

因此，物理学家们宁可接受点粒子，然后想办法去解决发散难题。到六十年代，终于找到了办法。基本思想是，承认我们的理论在高于某个特征能量时就不适用了。只要在积分时取一个截断能量，原本发散的积分就可以收敛，即算出一个有限的值。这种方法叫做重整化。

这种方法付出的代价是，承认我们无法预测电子质量、电子电荷等一些基本物理量，对这些量只能把实验值代进去。这种方法的收获是，所有其他的物理过程，如碰撞和辐射的概率，都可以准确计算。例如电子的磁矩被计算到了11位有效数字，和实验测量完全符合！

这是量子场论的伟大胜利，但这个胜利的前提是承认自己不是终极真理。要追求终极真理或者至少是比量子场论更深刻的理论，就要问：在更高的能量即更小的尺度上，究竟发生了什么？

有一个自然的能量标度，叫做普朗克能量。它是由普朗克常数、光速和万有引力常数组合成的一个以能量为量纲的值，约等于1.96 *10^9焦耳。同样由这些常数还可以组合出普朗克长度，约等于1.6 * 10^(-35)米。平时我们看到的引力远远小于电磁力，但到了普朗克能量和长度下，引力就跟电磁力相提并论了。所以量子场论的截断能量肯定低于普朗克能量，大家都相信在普朗克尺度下，需要一个新的物理理论。

究竟怎么个新法呢？有各种各样的选择。有的十分激进，如认为时空变得不连续了。弦论认为时空仍然是连续的，只是修改了物质的模型，从点粒子变成了有限长度的弦。

现在大家明白了吧，弦论其实是一种相对保守的理论！只是因为面对的问题太极端，所以最保守的处理在常人看来也是极端的。顺便说一句，弦论并不是唯一的选择，还有很多其他的理论。例如我的科大师兄、著名理论物理学家、MIT教授文小刚就提出了一种“弦网理论”，也具有很多妙处。

文小刚教授

下面我们来解释弦论。弦虽然是有尺度的，但它们之间的相互作用是在一个时空点上的拼接或断开。这样就不是超光速作用，符合相对论。弦论的计算方法虽然比场论更复杂，但基本原理仍然是简单明确的。最好的是，所有的计算结果都是有限的，发散问题被彻底解决了！

弦上的那些振动模式对应什么？答案就是粒子。我们已知的和未知的所有基本粒子，都是同样的弦上的不同模式。例如有一种闭弦的模式，从其特性和相互作用方式来看，就是传递引力的粒子，即引力子。大致就是下图的样子。

所以弦论的成就在于：终于，有了一个自洽的量子引力理论！

细心的读者会问：这只是解释了“弦”，那还有“超”呢？这个字是怎么来的？

回答是：“超”是超对称的缩写。那超对称是什么意思？回答是：费米子和玻色子之间的对称。

常看我的节目或者看过我的书《量子信息简话》的人，可能都知道了：基本粒子分为两种，费米子和玻色子。例如电子属于费米子，光子属于玻色子。费米子要遵守泡利不相容原理，而玻色子不受泡利不相容原理的约束。

超对称目前还不是实验事实，而是一种理论猜测。它的意思是：每一种费米子都有自己的玻色子伙伴，反之亦然。超对称伙伴之间除了自旋不同，其他的性质如质量、电荷等等都相同。

目前显然还没有找到这样的超对称粒子，否则早就成为全世界最轰动的新闻了。但有些物理学家喜欢这个理论，因为它有种种好处。例如可以让弦论中出现费米子，否则弦论就只有玻色子，而且还需要26维时空，这就离现实世界太远了。

那为什么没有找到跟电子质量相等的玻色子电子伙伴呢？这一派的解释是：我们的世界原本是超对称的，但这种对称性破缺了，原来的超对称伙伴变得很重，也就是说能量变得很高，所以暂时找不到。实际上寻找超对称就是大型加速器的目标之一，只不过一直还没有成功。这说明超对称如果存在，肯定比这些加速器达到的能量更高。要不要继续提高加速器能量去寻找超对称，就是一个经常引起争论的问题了。

回头来说弦论。加上超对称后它变成了超弦理论，可以容纳费米子了，时空的维数也从26变成了10。这虽然离平时见到的4维时空近得多了，但还是多出6个维度。这6个维度哪里去了？弦论学家的解释是，这6维是高度卷曲的封闭空间，需要非常高的能量才能打开。

有趣的是，研究发现那个6维小空间的超对称性偏好特殊的一类，叫做卡拉比-丘空间。这个丘就是丘成桐，第一位获得菲尔兹奖的华人数学家。下图是一个卡拉比-丘空间的例子。由于视觉无法呈现6维空间，它其实是6维空间在二维的一个截面，可以让我们感受一下它的复杂程度。

到了这个程度，超弦理论取得了很大的成功。它有四维时空，有费米子，有玻色子，能够解释引力，而且没有发散。这些真是太好了，所以从八十年代以来，超弦风靡了物理学界。

然而超弦还远没有被所有人接受。首先是因为做实验太困难，目前还没有任何实验来证实或者证伪它。然后在理论上，因为它的定位是万物理论（theory of everything），它不能只满足于解释量子引力。它还必须能计算电子质量、电子电荷、质子质量等等。如果它不能解释整个世界，它就无法成功。

最后，许多人在看了戴瑾博士的文章后敬仰不已，不明觉厉，但不知道他们这个“北京超弦存储器研究院”是干什么的。其实超弦只是这个研究院的名字，他们真正的业务是研发半导体存储技术。

研究院的创始人年轻时听说过超弦，觉得这个词很酷，就用了这个名字。全院上下只有戴瑾一个人知道超弦是怎么回事，于是他就写了这篇科普，帮同事们了解一下。搞半导体工艺的工程师们基本都学过一些量子力学，大致可以看懂，于是就到处传开了。

不久前，院长开会时对戴瑾说：很多人都拿这篇文章问我，你们搞这么高级的研究？这下子大家都知道我们研究院了，但更不知道我们做什么了！