http://140.119.115.32/sa/read.asp?docsn=2003121706&readtype=ch

弦論（string theory）是一種量子重力論，

也就是一種能兼顧微觀量子概念與重力現象的理論。

由於欠缺實驗證據，目前還沒有任何量子重力論，是大家公認正確的理論，

不過很多人看好弦論最後會脫穎而出。在介紹弦論為什麼最被看好之前，

我先解釋一下建構量子重力論的困難之處。

　　重力是自然界已知的四種力之一。物理學家已經能夠非常成功地

將重力之外的其他三種力──電磁力、弱力（更精確地講，

電磁力已經與弱力統一成電弱力）、強力──納入一般量子場論架構中。

例如，量子電動力學（電弱理論的一部份）能精準地描述微觀電磁效應，

其預測與實驗對比可以準確至10億分之一，描述強交互作用的量子色動力學則也相當準確。

所以四種基本力中只剩下重力尚未被量子規律馴化。


　　既然量子場論可以成功地處理重力以外的基本作用力，

它也就自然成了追尋量子重力論的最佳參考對象。無論是量子電動力學、

量子色動力學或是任何其他場論，它們的基本理念大約都是：平坦的閔考斯基四維時空

（即三維空間加上一維時間）是舞台，各式各樣的點粒子（沒有大小的粒子）

是演員；舞台是靜止的，而演員可以在舞台上四處遊走，

也可以從舞台上消失或忽然現身；它們受到的唯一限制就是得遵循量子力學的規範。

以量子電動力學為例：舞台上的演員是帶電的各式粒子（如電子、質子等）

以及不帶電的光子。帶電粒子會吸收或釋放光子，所以光子（精準點說，是虛光子）

可以在兩粒子之間傳遞；帶電粒子間的電磁交互作用就可以解釋成粒子在交換光子。

同樣地，在量子色動力學裡，夸克帶有色荷（color charge，一種類似電荷的概念，

代表強交互作用的強度），可以吸收或釋放膠子。

夸克間的強交互作用力就來自夸克交換膠子。


　　如果以量子電動力學為模範，重力現象應該可以解釋成有質量

（即能量）的粒子在交換重力子：重力靠重力子傳遞，

就好像電磁交互作用靠光子傳遞、強交互作用靠膠子傳遞、

弱交互作用靠W粒子傳遞。所以重力子和光子、膠子、W粒子一樣，

都是傳遞子；但是重力子所帶的自旋角動量是其他傳遞子自旋角動量的兩倍

，這項差別造成重力只會是吸引力，而其他的力可以是吸力也可以是斥力。

　　建構量子重力論最簡單的方式，就是假設重力子遵循愛因斯坦廣義相對論方程式

（就好像光子遵循馬克士威方程式），然後將重力子放入基本粒子成員行列，

再根據一般場論的規則（例如費曼圖），來計算微觀世界的重力效應。

這麼直截了當的做法起碼已經有40年以上的歷史了，

但是這種進路卻無法通過一關嚴苛的考驗：在這樣的量子重力論中，

會出現無法處理的無窮大，因此理論沒有能力計算出有意義的物理量。

反之，無窮大雖然也會出現在量子電動力學或量子色動力學裡，

但它們的程度較輕微，可以被處理掉（隱藏起來），所以理論保留了預測的能力

；我們稱這樣的理論為「可重整理論」。量子重力理論無法對付無窮大，

因此就是所謂的「不可重整理論」。在1980年代之前，

量子重力論陣營的主要工作就是尋找「可重整化」的量子重力論，但是一無所獲。


　　弦論是長久以來頭一個公認可以對付無窮大問題的量子重力論。

一般相信，無窮大根本就不會出現在弦論裡，原因在於弦論有個非常奇特的假設：

所有的基本粒子並不是沒有大小的點粒子，而是一段段、一圈圈的開弦或閉弦。

這些弦非常小，大約只有10-33公分，所以在一般尺度下看起來就像是一個點。

弦有各式各樣的振動模式，不同的模式就對應到不同的基本粒子。

兩段弦可以結合起來，一段弦也可以斷裂開來，這些行為就對應到粒子間的交互作用。

為什麼這樣的弦論是一種量子重力論？

因為一但我們把量子法則施加在弦上頭，就會發現弦有一個特殊的振動態，

這個振動態沒有質量，它的自旋角動量，也剛好是光子自旋角動量的兩倍，

所以就是重力子；包含了重力子的理論當然也就把重力作用（也就是愛因斯坦廣義相對論）

包括在內。除了重力子之外，弦論也包含了所有其他基本粒子。

所以弦論不僅是一種量子重力論，而是一種涵蓋一切基本作用的統一理論。

　　從歷史的角度看，弦論有很特殊的發展歷程：它在剛提出的時候

其實是被當成一種描述強交互作用的理論，但是後來一方面因為量子色動力學出現

，二來它包含了重力子，所以人們就不再把弦論當成失敗的強交互作用理論，

轉而將它看待成是最終理論。這種敗部復活的「蛻變」，的確史無前例。

　　弦論的數學結構很緊密，所以有兩項很特別的推論：

一、只有包含超對稱（這種對稱指的是物理定律在費米子與玻色子互換下仍維持不變）

的弦論才沒有內在矛盾，否則會出現帶有負質量的「迅子」

（tachyon，速度超過光速的粒子）。

所以一般談論到弦論就直稱「超弦」（超對稱弦）。

二、超弦要求時空的維度必得是十維，也就是時空有九維空間與一維時間。

既然巨觀世界的時空是四維的，如果超弦是正確的，所餘下的六維空間就必然非常微小

，以致平常是觀察不到的。由於弦論與超對稱的密切關係，

如果將來高能實驗找到超對稱存在的證據，雖然我們還是不能由此百分之百地

肯定超弦的正確性，但是弦論的身價必然提升很多。

　　總體言之，單就目前所知，弦論的優點首要在於它是

沒有數學矛盾的量子重力論，這是非常難能可貴的，其他競爭的理論或多或少都有些缺點。

其次，它還能把重力與其他作用力結合起來，是真正的大一統理論，

所以它能夠用一般的規範場論來理解重力；反之，

它也可以讓我們用重力來解決困難的規範場論問題。另外，

由於它擁有很豐富曲折的數學架構，所以也促成很多數學上的發展。

　　至於弦論的缺點，首先當然是至目前止它還沒有任何實驗上的證據；

此外，它除了超對稱與額外空間等概念外，還提不出什麼精確而可以檢驗的預測

，所以比較慎重的物理學家就認為，現在的弦論其實還談不上是個科學理論。

就理論架構而言，弦論的缺點在於它還不是「背景獨立」的理論，

也就是說它和一般場論一樣，仍然先得把平坦的閔考斯基四維時空當成背景時空，

才能開始發展理論。理想上，我們不應先預設任何特定的時空，

而讓理論來決定時空的幾何性質。所以弦論仍然有很長的路要走。

　　美國哥倫比亞大學物理系教授格林恩（Brian Greene）是弦論大將之一，

他是英國牛津大學物理學博士，對於弦論中的數學問題有重要貢獻。

1999年，他出版了《優雅的宇宙》（The Elegant Universe）一書，

公認是目前最佳介紹弦論的科普作品，因而成為最著名的弦論代言人。


※ 引述《deh3215 (06bb)》之銘言：
: 美國物理博士麗莎‧藍道(Lisa Randall)提出「五次元世界」的理論，聽在一般人的耳裡
: 似乎有點難以置信，但到底五次元世界存不存在？其實目前瑞士正在進行一項龐大的科學實
: 踐，一同希望能證實這項革命性的理論。
: 瑞士日內瓦歐洲核子研究理事會（CERN）的科學家建立世界上規模最大的質子對撞實驗室
: ，結合全球34國合作花了1317億元台幣，在100公尺深的地底設計全世界最強的質子研究實驗
: 室，明年將會正式啟用進行劃時代的實驗。
: 一個周長27公里的環形龐然大物可以把質子加速到接近光速，然後讓它們迎面相撞，碰撞
: 後釋放出大量更小的粒子，如果有粒子消失無蹤就可以證實有粒子是進入的人類看不到的第
: 五次元。
: 藍道博士的五次元的理論如果在明年進行的科學實驗上可以獲得證實，那代表在你我身邊
: 確實存在許多不同世界，不久的未來不同次元的門將被打開。
: 靠腰,天尊會率領木王星人進攻地球嗎,??比爾蓋子真的是天尊安排在地球的代理人嗎
: XDDDDDDD
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