基本簡介
超弦理論
五種弦圖弦理論認識
超弦理論
五種超弦與所衰變成的所有粒子-結構圖表 相關理論
超弦來源(圖一)研究評論
超弦理論
超弦來源(圖二)（1）全同粒子的統計規範對稱性應從一個更大的連續的規範對稱性導出。
（2）時空的存在應與超對稱理論中玻色子和費米子貢獻相消相關聯。
膜宇宙圖（3）當我們緊緻化更多維數時，理論中將出現更多的自由度，如何從量子場論的觀點理解這一奇怪的性質？
（4）有效引力理論的短距離（紫外）發散實際上是某些略去的自由度的紅外發散，這些自由度對應於延伸在兩粒子間的一維D－膜，從場論的觀點來看，這此自由度的性質是非常奇怪的。
（5）將M理論與宇宙學聯繫起來。
顯然，沒有太多的理由認為矩陣理論是M理論的一個完美的表述。值得注意的是矩陣理論的確給出了許多有意義的結果，因此也必定有其物理上合理的成分，這很像本世紀初量子力學完全建立前的時期（那時，普良克提出能量量子導出黑體輻射公式，玻爾提出軌道量子化給出氫原子光譜），一些有關一個全新理論的跡象和物理內涵已經被人們發現了。但是，我們離真正建立一個完美自洽M理論還相距甚遠，因此有必要從超弦理論出發更多更深地發掘其內涵。在這方面，超弦理論的研究又有了新的突破。
1997年底，馬爾達塞納（Maldacena）基於D－膜的近視界幾何的研究發現，緊化在AdS5×S5上的IIB型超弦理論與大N SU（N）超對稱規範理論是對偶的，有望解決強耦合規範場論方面一些基本問題如夸克禁閉和手征對稱破缺。早在70年代，特胡夫特（´tHooft）就提出：在大N情況下，規範場論中的平面費曼圖將給出主要貢獻，從這一結論出發，波利考夫（Polyakov）早就猜測大N規範場論可以用（非臨界）弦理論來描述，現在馬爾塞納的發現將理論和規範理論更加具體化了。1968年維內齊諾（Veneziano）為了解決相互作用而提出了弦理論，發現弦理論是一個可以用來統一四種相互作用力的統一理論，對偶性的研究引出了M理論，現在馬爾達塞納的研究又將M理論和超弦理論與規範理論（可以用來描敘強相互作用）聯繫起來，從某種意義上來說，我們又回到了強相互作用的這一點，顯然我們對強相互作用的認識有了極大的提高，但是我們仍沒有完全解決強相互作用的問題，也沒有解決四種相互作用力的統一問題，因此對M理論、超弦理論和規範理論的研究仍是一個長期和非常困難的問題。
理論背景
談話背景
談到弦論的普及，恐怕沒有人能比得上布賴恩·格林。他是哥倫比亞大學的物理學教授，也是弦論研究的一員大將。
他於1999年出版的《優雅的宇宙》（TheElegantUniverse）一書在《紐約時報》的暢銷書排行榜上名列第四，併入圍了普利茲獎的最終評選。格林是美國公共電視網Nova系列專輯的主持人，而他近期剛剛完成了一本關於空間和時間本質的書。《科學美國人》的編輯GeorgeMusser最近和格林邊吃細弦般的意大利麵邊聊弦論，以下是這次“餐訪”的紀要。
評價
SA：有時我們的讀者在聽到“弦論”或“宇宙論”時，他們會兩手一攤說：“我永遠也搞不懂它。”
格林：我的確知道，人們在一開始談到弦論或者宇宙論時會感到相當的吃力。我和許多人聊過，但我發現他們對於這些概念的基本興趣是那么的廣泛和深刻，因此，比起其他更容易的題材，人們願意在這方面多花點心思。
SA：我注意到在《優雅的宇宙》一書中，你在很多地方是先扼要介紹物理概念，然後才開始詳細論述。
實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力
格林：我發現這個法子很管用，尤其是對於那些比較難懂的章節。這樣一來讀者就可以選擇了：如果你只需要簡要的說明，這就夠了，你可以跳過底下比較難的部分；如果你不滿足，你可以繼續讀下去。我喜歡用多種方式來說明問題，因為我認為，當你遇到抽象的概念時，你需要更多的方式來了解它們。從科學觀點來看，如果你死守一條路不放，那么你在研究上的突破能力就會受到影響。我就是這樣理解突破性的：大家都從這個方向看問題，而你卻從後面看過去。不同的思路往往可以發現全新的東西。
判斷
SA：能不能給我們提供一些這種“走後門”的例子？
格林：嗯，最好的例子也許是維頓（EdwardWitten）的突破。維頓只是走上山頂往下看，他看到了其他人看不到的那些關聯，因而把此前人們認為完全不同的五種弦論統一起來。其實那些東西都是現存的，他只不過是換了一個視角，就“砰”地一下把它們全裝進去了。這就是天才。對我而言，這意味著一個基本的發現。從某種意義上說，是宇宙在引導我們走向真理，因為正是這些真理在支配著我們所看到的一切。如果我們受控於我們所看到的東西，那么我們就被引導到同一個方向。因此，實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力，無論是真的洞察力還是數學上的洞察力，看是否能夠將東西以不同的方式結合起來。
SA：如果沒有天才，你認為我們會有這些發現嗎？
格林：嗯，這很難說。就弦論而言，我認為會的，因為裡面的謎正在一點一點地變得清晰起來。也許會晚5年或10年，但我認為這些結果還是會出現。不過對於廣義相對論，我就不知道了。廣義相對論實在是一個大飛躍，是重新思考空間、時間和引力的里程碑。假如沒有愛因斯坦，我還真不知道它會在什麼時候以什麼方式出現。
SA：在弦論研究中，你認為是否存在類似的大飛躍？
格林：我覺得我們還在等待這樣一種大飛躍的出現。弦論是由許多小點子匯集而成的，許多人都做出了貢獻，這樣才慢慢連結成宏大的理論結構。但是，高居這個大廈頂端的究竟是怎么樣的概念？我們現在還不得而知。一旦有一天我們真的搞清楚了，我相信它將成為閃耀的燈塔，將照亮整個結構，而且還將解答那些尚未解決的關鍵問題。
採訪
相對論是對時間和空間重新思考的里程碑，我們正在等待另一次這樣的飛躍
SA：讓我們來談談環量子理論與其他一些理論。你總是說弦論是唯一的量子引力論，你現在還這么認為嗎？
格林：呃，我認為弦論是目前最有趣的理論。平心而論，近來環量子引力陣營取得了重大的進展。但我還是覺得存在很多非常基本的問題沒有得到解答，或者說答案還不能令我滿意。但它的確是個可能成功的理論，有那么多極有天賦的人從事這項研究，這是很好的事。我希望，終究我們是在發展同一套理論，只是所採用的角度不同而已，這也是施莫林（LeeSmolin）所鼓吹的。在通往量子力學的路上，我們走我們的，他們走他們的，兩條路完全有可能在某個地方相會。因為事實證明，很多他們所長正是我們所短，而我們所長正是他們所短。弦論的一個弱點是所謂的背景依賴（background-dependent）。我們必須假定一個弦賴以運動的時空。也許人們希望從真正的量子引力論的基本方程中能導出這樣一個時空。他們（環量子引力研究者）的理論中的確有一種“背景獨立”的數學結構，從中可以自然地推導出時空的存在。從另一方面講，我們（弦論研究者）可以在大尺度的結構上，直接和愛因斯坦廣義相對論連線起來。我們可以從方程式看到這一點，而他們要和普通的引力相連線就很困難。這樣很自然地，我們希望把兩邊的長處結合起來。
研究進展
SA：在這方面有什麼進展嗎？
格林：很緩慢。很少有人同時精通兩邊的理論。兩個體系都太龐大，就算你單在你的理論上花一輩子時間，竭盡你的每一分每一秒，也仍然無法知道這個體系的所有進展。但是現在已經有不少人在沿著這個方向走，思考著這方面的問題，相互間的討論也已經開始。
SA：如果真的存在這種“背景依賴”，那么要如何才能真正深刻地理解時間和空間呢？
格林：嗯，我們可以逐步解決這個難題。比如說，雖然我們還不能脫離背景依賴，我們還是發現了鏡像對稱性這樣的性質，也說是說兩種時空可以有相同的一套物理定律。我們還發現了時空的拓撲變化：空間以傳統上不可置信的方式演化。我們還發現微觀世界中起決定作用的可能是非對易幾何，在那裡坐標不再是實數，坐標之間的乘積取決於乘操作的順序。這就是說，我們可以獲得許多關於空間的暗示。你會隱約在這時看見一點，那裡又看見一點，還有它們底下到底是怎么一回事。但是我認為，如果沒有“背景獨立”的數學結構，將很難把這些點點滴滴湊成一個整體。
SA：鏡像對稱性真是太深奧了，它居然把時空幾何學和物理定律隔離開來，可過去我們一直認為這二者的聯繫就是愛因斯坦說的那樣。
認識
格林：你說的沒錯。但是我們並沒有把二者完全分割開來。鏡像對稱只是告訴你遺漏了事情的另一半。幾何學和物理定律是緊密相連的，但它就像是一副對摺開的地圖。我們不應該使用物理定律和幾何學這個說法。真正的應該是物理-幾何與幾何-幾何，至於你願意使用哪一種幾何是你自己的事情。有時候使用某一種幾何能讓你看到更多深入的東西。這裡我們又一次看到，可以用不同的方式來看同一個物理系統：兩套幾何學對應同一套物理定律。對於某些物理和幾何系統來說，人們已經發現只使用一種幾何學無法回答很多數學上的問題。在引入鏡像對稱之後，我們突然發現，那些深奧無比的問題一下子變得很簡單了。
理論上可以導出許多不同的宇宙，其中我們的宇宙似乎是唯一適合我們生存的
SA：弦論以及一般的現代物理學，似乎逼近一個非如此不可的邏輯結構；理論如此發展是因為再無他路可走。一方面，這與“人擇”的方向相反；但是另一方面，理論還是有彈性引導你到“人擇”的方向。
格林：這種彈性是否存在還不好說。它可能是我們缺乏全面理解而人為造成的假像。不過以我目前所了解的來推斷，弦論確實可以導出許多不同的宇宙。我們的宇宙可能只是其中之一，而且不見得有多么特殊。因此，你說得沒錯，這與追求一個絕對的、沒有商量餘地的目標是有矛盾的。
置身於弦宇宙，時空可能像這樣：另有6維捲曲在所謂的“卡拉比-丘空間”內。
SA：如果有研究生還在摸索，你如何在方向上引導他們？
格林：嗯，我想大的問題就是我們剛才談到的那些。我們是否能窮究時間和空間的來源？我們能否搞清楚弦論或M理論的基本思想？我們能否證明這個基本思想能導出一個獨特的理論？這個獨特理論的獨特解，也就是我們所知的這個世界？有沒有可能藉助天文觀測或加速器實驗來驗證這些思想？甚至，我們能不能回過頭來，了解為什麼量子力學必然是我們所知世界不可或缺的一部分？任何可能成功的理論在其深層都得依賴一些東西：比如時間、空間、量子力學等，這其中有哪些是真正關鍵的，有哪些是可以省略掉仍能導出與我們世界相類似的結果？
二次革命
如果說超弦理論的第一次革命統一了量子力學和廣義相對論，那么近年來發生的弦理論的第二次革命則統一了五種不同的弦理論和十一維超引力，預言了一個更大的M理論的存在，揭示了相互作用和時空的一些本質，並暗示了時間和空間並不是最基本的，而是從一些更基本的量導出或演化形成的。M理論如果成功，那將會是一場人類對時空概念、時空維數等認識的革命，其深刻程度不亞於上個世紀的兩場物理學革命。
從科學研究本身看，研究引力的量子化及其與其他互相作用力的統一是自愛因斯坦以來國際著名物理學家的夢想，但由於該理論涉及的能量極高，不能進行直接實驗驗證。儘管如此，一些技術和方法的發展，啟發了很多新的物理思想，如解決能量等級問題的Randall-Sundrum模型和引力局域化，關於弦理論巨量可能真空的圖景想法和人擇原理等等。
近期天文和宇宙學觀察所取得的進展對弦理論的發展會起積極的促進作用。比如，近期觀察的宇宙加速膨脹所暗示的一個很小的但大於零的宇宙學常數(或暗能量)，為弦理論目前的發展提供了指導作用。反過來說，要在更深層次上理解近期的天體物理學觀察和暗能量，沒有一個基本的量子引力理論是行不通的，弦理論是目前僅有的量子引力理論的理想候選者。二者的結合不僅對弦理論的自身發展有著指導作用，同時對理解和解釋宇宙學觀察也有很大的促進作用。
相關問題
基本粒子源於五種超弦模型表解析在過去的一百多年裡，物理學家已經發現了一連串越來越小和越來越基本的物質組成單元。這些研究成果最終被總結成為標準模型：輕子(象電子和中微子)、夸克以及將這些粒子捆綁在一起的電磁力、弱相互作用力。但是，標準模型並不是故事的結局，因為它實在是太複雜了，它本身並不能解釋一個比元素周期表還要複雜的基本粒子表以及它們之間的相互用力。
現在，弦理論家們普遍相信標準模型中的基本粒子實際上都是一些很小很小的線狀的“弦”（包括有端點的“開弦”和圈狀的“閉弦”或閉合弦）。[1]弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子。所有粒子都可由閉弦的不同振動和運動來得到，從本質上講，所有的粒子都是質地相同的弦。這一聽似奇怪的想法能夠解釋標準模型的許多粗獷輪廓和特性，但是在決定性實驗驗證弦理論之前，人們仍然有必要對它進行更深刻的認識和了解。
量子力學的原理和廣義相對論是否相衝突
量子力學和廣義相對論是二十世紀兩個非常成功的理論，但令人驚訝的是這兩個理論在現有的框架下是相衝突的。簡單說來，量子力學認為沒有任何東西是靜止不動的，任何東西都有起伏漲落(測不準原理)。廣義相對論認為時空是彎曲的，彎曲時空是萬有引力的起源。將這兩個理論結合就可以導出時空本身也是每時每刻都在經歷著量子的起伏漲落。在大多數情況下，這些漲落是很小很小的，但在一些極端情況下，比如說在極短距離下、在黑洞的視界附近，在大爆炸的初始時刻等等，這些量子漲落將變得非常重要。在這些情況下，我們現有的理論(量子力學和廣義相對論)是不適用的，只能得到一些結果為無窮大荒謬結論。很顯然，我們需要一個更完備的理論。
令人驚訝的是，從粒子物理學中發展起來的弦理論提供了這一問題的答案。在弦理論中，由於弦的延展性(一維而不是一個點)，引力和光滑的時空觀念在比弦尺度還小的距離下失去了意義，時空量子泡沬由“弦幾何”代替了。現在，用弦理論已經解決了有關黑洞量子力學問題的一些疑難。如何用弦理論來說明宇宙大爆炸的初始起點仍然是一個沒有解決的大問題。
我們是否生活在11維時空
宇宙學告訴我們，我們肉眼看到的三個空間維數正在膨脹，由此可以推測它們曾經是很小和高度彎曲的。一個自然的可能性是；也許存在與我們觀測到的三個空間維數垂直的其它空間維數，這些額外空間維數曾經是但現在仍然是很小和高度彎曲的。如果這些維數的尺度是夠小，以我們現有的觀測手段仍不是以直接推測到，但是這些維數仍將以許多間接的效應表現出來。
特別地，這是一個強有力的統一觀念：在低維中觀測到的不同粒子也可能是同一種粒子，在額外維數空間中，它們都是同一粒子不同方向的運動的表現。實際上，額外維數還是弦理論不可分割的一部分：弦理論的數學方程要求空間是9維的，再加上時間維度總共是10維時空。更進一步的研究表明，由M理論給出的更完全的認識揭示了弦理論的第10維空間方向，因此理論的最大維數是11維。最近的一些發展還提出了我們也許生活在低維的膜上面，但是引力仍然是10維的，為了得到現實的3維引力，可以通過引入“影子膜”或者Randall-Sundrum機制。Randall-Sundrum機制是一種束縛引力的新方法，這時，額外維度可以不是很小很小的。通過觀測小距離情況下引力對平方反比定律的偏離，或者是在粒子加速上或者是通過超新星爆發中產生的粒子散射進入額外維度因而看起來象消失一樣等等奇怪的現象，也許我們現在就有能力探測到這些額外維度。弦理論不僅大大地拓展了人們的思維空間，將大大地拓展人們的活動空間。
趣聞相關
物理學是否有可能走另一條路，雖然面貌完全不同，但卻能夠解釋所有的實驗？我不知道，但是我覺得這是個很有意思的問題。從數據和數學邏輯出發，有多少我們認為基本的東西是唯一可能的結論？又有多少可以有其他可能性，而我們不過是恰恰發現了其中之一而已？在別的星球上的生物會不會有與我們完全不同的物理定律，而那裡的物理學與我們一樣成功？
在中國
在超弦的第一、第二次革命，以及隨後的快速發展中，中國都未能在國際上起到應有的作用。我們在研究的整體水平上，與國際、與周邊國家如印度、日本、韓國，甚至和我國台灣地區相比都有一定的差距。內地學術界對弦理論的認識存在較大的分歧，一些有影響的物理學家，基於某種判斷，公開地發表“弦理論不是物理”的觀點。受他們的身份和地位的影響，這種觀點在中國更容易被大多數人接受，因而在某種程度上制約了弦理論在中國的研究和發展。
從教育和人才培養上看，我國的世界一流大學如北大、清華，在相當長的一個時期內都嚴重缺乏主要從事弦理論研究的人才，這種局面間接地制約了青年研究生的專業選擇，直接地造成了國內研究隊伍的青黃不接。
值得慶幸的是，在丘成桐教授的直接推動下，伴隨著浙江大學數學科學中心的成立，以及隨後該中心和中國科學院晨興數學中心每年舉辦的多次高水平專業會議，並邀請像安地·斯特羅明格這樣一流水平的學者到中心工作，大大地推動了國內弦理論方面的研究。
2002年底，在中國科技大學成立的交叉學科理論研究中心，目前已經發展為非常活躍和具有吸引力的研究中心。成立4年來，通過多次舉辦工作周和暑期學校，在超弦理論的人才培養和研究方面做了許多基礎性工作。在本次國際弦理論會議之前，國際理論物理中心和中國科學院交叉學科理論研究中心還舉辦了“亞太地區超弦理論暑期學校”，吸引了100多名參加者。
這種種現象都表明，中國的超弦理論研究，在平靜的外表下，正積蓄著旺盛的爆發潛力。很顯然，一個國家或一個研究團體的整體水平，與這個國家將會在科研上出現的突破性進展的機會是成正比的，這就是所謂“東方不亮西方亮”的道理，也是所謂科學研究文化的建設重要性所在。忽略科學研究文化的建設，單純追求諾貝爾獎，是一種急功近利的態度，其結果往往是“欲速則不達”。
擺在超弦理論研究面前的，是一幅廣闊的前景和一條艱難的道路，這是一條熱鬧又孤獨的旅程，它所涉及的問題對年輕的學生和學者，有著強大的魅力，同時它對研究人員的專業素養有著很高的要求。2006年國際弦理論會議，對我們來說，是一次機遇——壯大隊伍、提高水平，並隨著整體水平的不斷提高，在國際上占有一席之地。我們正在為弦理論的第三次革命作準備，也期待著她的早日到來。
模型建立
較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由只占一度空間的“點”狀粒子所組成，也是目前廣為接受的物理模型，也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題，但是此理論所根據的“粒子模型”卻遇到一些無法解釋的問題。比如，在靠近粒子的地方的引力會增加至無限大。比較起來，“弦理論”的基礎是“波動模型”，因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述“弦”狀物體，還包含了點狀、薄膜狀物體，更高維度的空間，甚至平行宇宙。值得注意的是，弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測，關於這一點，以下文會說明。
發展歷史
弦理論的雛形是在1968年由GabrieleVeneziano發現。他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學公式，然後在一本老舊的數學書里找到了有200年之久的歐拉公式（Euler'sFunction），這公式能夠成功的描述他所要求解的強作用力。然而進一步將這公式理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的“線段”卻是在不久後由LeonardSusskind(李奧納特·蘇士侃)所發現，這在日後則發展出“弦理論”。
作用模式
雖然弦理論最開始是要解出強相互作用力的作用模式，但是後來的研究則發現了所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反電子，正反中微子等等，以及四種基本作用力“粒子”（強、弱作用力粒子，電磁力粒子，以及重力粒子），都是由一小段的不停抖動的能量弦線所構成，而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線抖動的方式和形狀的不同而已。
超弦理論
另外，“弦理論”這一用詞所指的原本包含了26度空間的玻色弦理論，和加入了超對稱性的超弦理論。在近日的物理界，“弦理論”一般是專指“超弦理論”，而為了方便區分，較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年代，愛德華·維頓提出了一個具有11度空間的M理論，他和其他學者找到強力的證據，證明了當時許多不同版本的超弦理論其實是M理論的不同極限設定條件下的結果，這些發現帶動了第二次超弦理論革新。
大一統
弦理論會吸引這么多注意，大部分的原因是因為它很有可能會成為終極理論。目前，描述微觀世界的量子力學與描述巨觀引力的廣義相對論在根本上有衝突，廣義相對論的平滑時空與微觀下時空劇烈的量子漲落相矛盾，這意味著二者不可能都正確，它們不能完整地描述世界。而除了引力之外，量子力學很自然的成功描述了其他三種基本作用力：電磁力、強力和弱力。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。超弦理論還包含了組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙以及套用到“黑洞”、“宇宙大爆炸”等需要同時用到量子力學與廣義相對論的極端情況，這還是未知數。
額外維
額外維是相對於“四維時空”而提出的一個概念，一般泛指的是理論在四維時空基礎上擴展出來的其它維度。愛因斯坦提出宇宙是空間加時間組成的“四維時空”。1926年，德國數學物理學家西奧多·卡魯扎在四維時空上再添加一個空間維，也就是添加一個第五維，把愛因斯坦的相對論方程加以改寫，改寫後的方程可以把當時已知的兩種基本力即“電磁力”和“引力”很自然地統一在同一個方程中。至此，理論中存在額外添加的維度統稱為“額外維”。
