11維超引力概述
11維超引力，屬於M理論中的一部分
張嘉年
我們所居住的“萬有引力宇宙”(Universal of gravity)實是起源於“萬有斥力的反(能量)宇宙”(Universal of repulsive force). 而“萬有斥力”是與“萬有引力”相反之力,亦稱為“反引力”(Antigravity).“反引力”是一股“內推(內斥力)”加“外拉(外斥力)”之力,其中“內斥力”即內含能量的“暗能量”,而“外斥力”為不含能量的“負能量”. 因為這股“內推外拉”的“反引力”遠遠大於本宇宙的“總引力”高達15.7倍,故足以推動本宇宙“大霹靂創生”(big bang creation)以及之後的“宇宙大膨脹”(Universe inflation). 若無“反引力”而僅有“引力”的話,我們的“宇宙”將永遠呈現為“緊縮態”(compactification state)的“宇宙大霹靂奇異點”(singularity).,那么就永遠不可能發生宇宙“大霹靂創生”.“反宇宙”是無限大的宇宙(Infinity Universe),是本宇宙的“背景時空”(background spacetime), 亦是先於本宇宙而存在的“永恆宇宙”. 在無限大的“反宇宙”中存在著無限多個“有限生命”的“正宇宙”. 而本宇宙僅是無限多個“正宇宙”的其中一個.“萬有斥力中之-內斥力暗能量”加上“萬有斥力中之-外斥力負能量”, 進而使給“大霹靂奇異點”,由內向外推出並拉開,因此才會發生“宇宙大霹靂創生”.
11維超引(重)力場的五M弦內部結構圖解
根據“超弦理論”(superstring theory)所述:宇宙中所有的“基本粒子”並非大小為0的點粒子,實際上“基本粒子”是由“弦”的不同振動及形狀所組成. 故而對弦的定義為-無法測量,粗細為0,而且是“純能量”的“線形聚集”,且弦亦非任何物質所構成,只要拉長,質量即會增加. 早期弦理論稱為“玻色弦理論”,是為了完成“超統一場論”來一統全宇宙所有的“力”及“弦-粒子”(現稱為“萬有理論theory of everything-TOE”),因而計算出整個大宇宙可能有“26維時空”,但卻僅有“10維時空”發生大暴脹而形成了“我們的宇宙”. 另外的“16維時空”未發生暴脹而成為量子場論中“緊化”(compactification)的“內秉空間”,因為這16維緊化的內秉空間,其組成結構,目前科學尚無定論,故本文暫不討論. 本文主要討論的是形成“我們的宇宙”的11維時空(注1),及其中1.22×1028eV至1.69×1011eV之間,這一大段的能量空檔區之中,尚未發現而可能存在的超高能粒子及超弦.
如前所述:“我們的宇宙”起源於一個“大霹靂奇異點(singularity)”,這個“奇異點”在大暴脹前含本宇宙全部總質量,即11維超(引)重力. 而自“普朗克紀元”的t=0秒至5.38×10-44秒,這個“奇異點”經過了2326次分裂而成為11維時空起源的“E8×E8’混成型雜弦”(即TOE宇宙五M弦圈),＜見下頁(圖二-第6,7代弦圈)＞
本宇宙有2種可能的總質量:
1.可觀測到“137億光年”範圍的質量約:1.79×1058g
2.最大的“普朗克密度”(Planck density)總質量約:5.157×1093g(注2)
1.本宇宙-可觀測到137億光年質量約:1.79×1058 g.
本宇宙的總質量:依狄拉克(Dirac)於70年代:按宇宙退行速度小於光速的一半為距離我們最近的可見宇宙邊界而計算出,本宇宙可見範圍內可能約有1078個質子,即宇宙總質量約:1054g,若同樣以數十年前宇宙大小的數據為1028cm估計,則可見宇宙的質量約為1055g. 此後,又經過眾多科學家多年的計算更新,增加為本宇宙可能約有1.071×1082個質子或1.968×1085個電子,因而算出本宇宙可觀測的質量約為:1.79×1058g(質子質量1.672×10-24g×1.071×1082個質子),但此質量仍遠比普朗克密度的本宇宙最大極限質量:5.1574×1093g小非常多,約小1035倍,. 但是近10年來,由於宇宙大暴脹(甚至可能是以超光速暴脹)的碓認和約為宇宙可見物質及可見能量總合20.7倍的宇宙暗物質及暗能量的發現. 再加上2008年WMAP衛星又觀測出宇宙幾乎是平坦的(“平坦的宇宙”代表的是:觀測到的宇宙僅占“整個球面宇宙”非常小的區域,就像以人身的體積來看地球,無論怎么看,地球都是平的一樣). 正因如此,現今宇宙科學家(包括前述的-狄拉克本人),大都認為-真實宇宙的大小是“無法觀測”,而遠超乎我們想像的. 按5.1574×1093g約=10117個質子的質量,而“充滿質子中的強力”遠大於-充滿宇宙空間中“無限範圍的引力”約1039倍,1039倍再乘上計算立體空間的3次方,即(1039)3正好=10117. 綜合上述,故本宇宙總質量以下述:第2種普朗克密度5.1574×1093g/cm3的宇宙最大質量,可能性較高.
2.本宇宙-最大的普朗克密度總質量約:5.157×1093g(約=2.893×10126eV).
內含本宇宙最大總質量的5.157×1093g(2.893×10126eV)的“大霹靂奇異點”, 其中總能量的57.7%,即2.9758×1093g(約=1,6693×10126eV)在經過了2-326次方“一分為二”的鏇轉分裂後,而成為單位能量為“普朗克能量:1.221×1028eV(約=2.1768×10-5g)”的“E8×E8’混成型雜弦”(即TOE宇宙五M弦圈),又經過了再一次,即2-327次方“一分為二”的鏇轉分裂後,而成為其中約含1.367×1098個“E8×E8雜弦”簡稱“E型雜弦”(即GUT陰極宇宙弦圈),及1.367×1098個“SO(32)雜弦”簡稱“O型雜弦”(即GUT陽極宇宙弦圈),而“E,O二型雜弦”的單位能量為:6.1×1027eV(約=1.088×10-5g). 而普朗克能量,再經過了“一分為二”的60次(÷260)分裂後,即分裂出“八正道-重子家族”中的質子及中子,而再分裂至274次時,則分裂出e－電子. 上述3種粒子即:質子,中子,e電子,結合成原子,原子組成分子,分子最後再合成物質. 而“大霹靂奇異點”其餘總質量的42.3%,即2.181×1093g(約=1.2237×10126eV),則形成本宇宙的“真空能量場”.
“E8×E8’混成型雜弦”亦即TOE宇宙五M弦圈(見:下-圖二上方中央第6代弦圈,詳細的演化全圖,見第五章:圖1,圖2),由內含8組8個TOE弦位元,總計64個TOE陰陽極弦位元所組成:左半邊32個弦位元以TOE陰極弦位元為多數,占20個弦位元,而TOE陽極弦位元為少數,占12個弦位元,中間為“暗能量場”(見附錄1:“暗能量”),而右半邊32個弦位元則以TOE陽極弦位元為多數,同樣占20個弦位元,而TOE陰極弦位元則為少數,亦占12個弦位元. 故11維維超重(引)力的“E8×E8’混成型雜弦”(TOE宇宙五M弦圈)是由8組8個弦位元,總計64個TOE陰,陽極弦位元所組成,其組合方式如下:(圖二-第6,7代弦圈)
(右圖二)一.第11維:TOE-Ⅰ型弦-1組,即“TOE宇宙五M弦圈”,左半邊下方之1組,
TOE-Ⅰ型弦分裂為:GUT-Ⅰ型弦,
二.第11維:TOE-ⅡA型弦-1組,即“TOE宇宙五M弦圈”,左半邊上方之1組,
8個TOE弦位元,內含6個陰極弦位元 及 2個陽極弦位元
TOE-ⅡA型弦(TOE陰磁單極子):分裂為:GUT-ⅡA型弦(GUT陰磁單極子),
三.第11維:TOE-E型雜弦-2組,即“TOE宇宙五M弦圈”,左半邊中之2組,
每組:8個TOE弦位元,內含5個陰極弦位元 及3個陽極弦位元
TOE-E型雜弦分裂為:GUT-E型雜弦.
四.第11維:TOE-Ⅰ型弦-1組,即“TOE宇宙五M弦圈”,右半邊下方之1組,
8個TOE弦位元,內含4個陽極弦位元 及4個陰極弦位元
TOE-Ⅰ型弦分裂為:GUT-Ⅰ型弦
五.第11維:TOE-ⅡB型弦-1組,即“TOE宇宙五M弦圈”,右半邊上方之1組,
8個TOE弦位元,內含6個陽極弦位元及 2個陰極弦位元
TOE-ⅡB型弦(TOE陽磁單極子):分裂為:GUT-ⅡB型弦(GUT陽磁單極子)
六.第11維: TOE:O型雜弦-2組-即“TOE宇宙五M宙弦圈”,右半邊中2組,
每組:8個TOE弦位元,內含5個陽極弦位元 及 3個陰極弦位元
TOE:O型雜弦分裂為:GUT-O型雜弦.
(以上:ⅠA型弦,ⅡB型弦,O型雜弦,ⅡA型弦,E型雜弦, 扣除Ⅰ型弦重複在左右陰陽二極出現,所以仍為五種M弦,即11維TOE宇宙大霹靂五種M弦)
11維維超重(引)力的“E8×E8’混成型雜弦”(TOE宇宙五M弦圈),再以一分裂為二的模式-鏇轉分裂出二種“GUT大統一雜弦”,此即5.38×10-44秒的時空起源分裂(見上分圖中-第7代“E8×E8雜弦”及“SO(32)雜弦”),分裂結果如下:
Ⅰ,左半圓以左鏇分裂出:上圖左下方之“E8×E8雜弦”(GUT陰極宇宙弦圈),內含:
一.GUT-Ⅰ型弦. 二.GUT-ⅡA型弦. 三.GUT-E型雜弦
“GUT陰極宇宙弦圈”之後組成“Y膜宇宙”最後再大
爆炸(暴脹)成本陽極宇宙的雙生宇宙-陰極宇宙(影子世界)
Ⅱ,右半圓以右鏇分裂出:右上圖下方之“SO(32)雜弦”(GUT陽極宇宙弦圈),內含:
一.GUT-Ⅰ型弦. 二.GUT-ⅡB型弦. 三.GUT-O型雜弦.
“GUT陽極宇宙弦圈”之後組成“X膜宇宙”最後再大
爆炸(暴脹)成本陽極宇宙
(注1):11維時空即“十一維超重(引)力論”中,統一“宇宙4大作用力”:1引力,2強作用力,3弱作用力,4電磁力,的“超統一場”. 而前述26維時空中,未發生暴脹,而成為量子場論“緊化”的“16維-內秉空間”,除其中10維應為:雙生的-陰極宇宙(影子世界),其餘6維則為更廣大而未知的:“超統一場”(見上圖一,圖二).
(注2):普朗克宇宙密度(Planck density),這是宇宙大霹靂5.38×10-44秒時,本宇宙的最大質量密度,公式為:
ħ/C.mpl4=C5/ħG2 =mpm/mpl3=5.1574×1093g/cm3.(=2.893×10126eV)
由5個常數算出: 1普郎克(角動量)常數ħ=1.0545887×10-27耳格.秒.
2重力常數G=6.673×10-8公分3.公克-1秒-1.
3光速C=2.99792485×1010公分/秒.
4普朗克質量mpm=2.1768×10-5公克
5普朗克長度mpl=1.616×10-33公分
故本宇宙最大極限質量約為:5.1574×1093g(=2.893×10126eV)
11維超引力簡介
超弦理論（特別是雜化超弦理論），是歷史上首次對所有基本粒子和它們的相互作用（即自然中所有的力）提出的一個嚴肅認真的建議。下一步要從這理論中得出一些預言，並與基本粒子中已知的（或即將測到的）事實進行比較。比較後出現了一個驚人的結果：方程中得出了特徵能量或質量（普朗克質量），這樣，超弦理論開始直接顯出一種近於完整的統一性。但是，與實驗室中可探測現象的能量尺度相比較，等價於普朗克質量的能量，又太大了。這樣，在實驗室多少可以直接研究的基本粒子，統統屬於超弦理論中的“低質量部分”（low-masssector）。
低質量部分
五種超弦構成粒子之結構圖表 一群數量很大但又有限的粒子（例如100到200種），它們的質量低到在可預見的未來出現在加速器實驗中。這些粒子和它們的相互作用構成超弦理論中的低質量部分。
所有其他粒子（它們有無限的數量）有巨大的質量，以至它們只能出現在虛效應里（例如量子虛交換時力的出現）。這些虛效應 （virtual effect）中有些可能具有關鍵的重要性，例如它們可以使愛因斯坦的引力理論成為超弦理論的一部分，而且不會出現不完美的無限性。
標準模型，包括3個費米子家族和它們的反粒子以及已知的12個量子，構成這個統一理論的低質量部分的一部分。引力子和零質量，顯然也屬於這個低質量部分，如其他已預言的粒子一樣。
在物理學的歷史上,超弦理論不但是迄今為止唯一的協調了量子力學與廣義相對論的量子引力理論,而且提供了統一描寫強,電磁,弱及引力等四種基本相互作用的可能性.1995年超弦理論經歷了一次突破性的發展:Dirichlet-膜與弦論中各種對偶關係被揭示出來了.這一發現啟動了弦論研究的世界性高潮,湧現出了許多重要的研究方向.例如雄心勃勃的"M理論"力圖建立起11維的(非微擾的)理論框架,使目前的超弦理論作為它在10維非緊緻時空的約化,使11維超引力理論作為它的低能經典極限."超弦唯象學"則力圖建立起一個(3+1)維的超弦理論,使之成為10維超弦理論的低能極限,並為目前粒子物理學中的標準模型提供一個可靠的弦論背景.
超弦唯象學是超弦理論發展的主流方向之一.它立足於物理數學邏輯內在自治的超弦微擾論和久經實驗考驗的粒子物理學(唯象的)標準模型,通過尋找二者的聯繫,致力於發現超弦理論真正的真空.超弦唯象學的研究將極大地深化人們對時空結構和自然界基本相互作用的理解,是超弦理論最終接受物理實驗檢驗的不可逾越的重要環節.1995年以前人們主要研究了雜化弦的唯象學.隨著Dirichlet-膜的發現,現在的研究領域已經擴展到了所有的超弦微擾論.超弦唯象學的研究在國際上很熱,美國和歐洲都有許多一流理論物理學家從事該領域的研究工作.然而在我國,就本人所知,只有為數不多的理論物理學家在超弦和M 埋論方面開展工作,且人員大多集中在中科院理論物理研究所,研究方向基本上都集中在M理論.這也許是因為國內的科研傳統及有所為有所不為的取捨吧.
