空间维度及超弦理论PPT课件

理解弦理论和超弦理论的基本原理弦理论和超弦理论被认为是现代物理学中最有前景的研究领域之一。

它们试图解释自然界中最基本的粒子和力的本质。

本文将介绍弦理论和超弦理论的基本原理。

一、弦理论的基本原理弦理论认为，一切物质都是由细小的一维线状物体，即弦，组成的。

这些弦可以是闭合的或者是开放的，它们的振动模式决定了物质的性质。

弦的振动带来了不同频率的谐波，这些频率就对应了不同的粒子。

1.1 维度的角色弦理论认为，我们的宇宙存在着超过三维的空间。

除了我们熟知的三维空间，还有六个额外的空间维度，这些维度卷曲起来，以至于我们无法察觉到它们。

这是弦理论独有的一个特点。

1.2 弦的振动模式弦的振动模式包括了弦长振动、横向振动和旋转振动等。

不同模式的振动会导致不同的粒子。

例如，基态振动模式对应着质量为零的引力子，而横向振动模式对应着电子等质量不为零的粒子。

1.3 弦共形不变性弦理论中的弦有一个重要特性，即共形不变性。

这意味着弦的物理性质在时空曲率变换下是不变的。

这个性质是弦给出一种替代引力理论的重要原因。

二、超弦理论的基本原理超弦理论是对弦理论的一个进一步发展，它解决了弦理论中的一些困难，并提供了一个更加完善的框架来描述自然界。

2.1 超对称性超弦理论中的一个关键概念是超对称性。

超对称性是一种将费米子和玻色子对应起来的对称性。

它可以解释为什么我们还没有观测到与夸克和轻子对应的超对称粒子。

2.2 弦的统一超弦理论认为存在五种不同的超弦。

这些超弦之间通过对偶性相互联系，它们在理论中是等价的，只是从不同的角度描述了同一个物理现象。

这些不同的超弦在高能物理中的定律达到了统一。

2.3 额外的维度超弦理论需要额外的维度来保证理论的内聚性。

与弦理论类似，这些额外维度也是卷曲起来的，无法直接观测到。

超弦理论认为，我们的宇宙是一个多维的膜，称为布朗宇宙或D-膜，而我们所处的宇宙仅仅是其中一个。

三、实验验证和未来展望弦理论和超弦理论是高度理论化的物理学理论，它们需要进一步的实验验证。

超弦理论与多维空间模型超弦理论是一种试图解决现有物理学理论架构中困扰物理学界已久的一些问题的理论框架。

它提出了一个引人入胜且富有启发性的观点，即我们所熟知的四维时空可能只是更高维度空间的一个切片。

这个理论受到了许多科学家的青睐，并成为现代理论物理学中的前沿课题之一。

超弦理论的核心思想是，宇宙不仅仅由我们所熟知的四个维度构成，即三个空间维度和一个时间维度。

相反，它认为我们生活的这个四维时空只是更高维数空间的一小部分。

根据超弦理论，存在许多额外的维度，其中包含了我们无法直观感知的维度。

这些额外维度被称为微观维度，其尺寸远远小于我们目前能够探测到的尺度。

这个概念可能听起来有点抽象，但是我们可以通过类比来理解它。

试想一下，如果我们把一个细绳打成一个环，当我们只观察到这个环的一个剖面时，它看起来就像一条线。

然而，当我们拆散这个环，我们才能够意识到它实际上是一个二维的平面。

超弦理论中的额外维度就好比这个细绳环中隐藏的维度，它们在我们的感知范围之外，但却对宇宙的物理规律产生了重要影响。

超弦理论不仅仅提出了额外维度的存在，还给出了一种解释物质和能量如何在这些额外维度中传播的方式。

根据理论，物质和能量的传播是通过维度间的弦的振动来实现的。

这些弦有不同的形态和振动模式，从而导致了不同的粒子种类和性质。

因此，超弦理论为解释粒子物理学提供了一个统一的框架。

超弦理论不仅可以解释粒子物理学中的一些奇怪现象，还在理论物理学界引发了巨大的兴趣。

研究人员希望通过超弦理论找到一种统一的物理理论，能够同时描述引力和量子力学，从而解决现有理论中的矛盾和困惑。

然而，尽管超弦理论在理论上非常有吸引力，在实验验证方面却存在着困难。

由于额外维度的尺度非常小，远远超出目前可探测到的范围，直接验证超弦理论变得十分困难。

尽管如此，超弦理论依然激发了研究人员的兴趣，并推动了物理学的发展。

通过对超弦理论的研究，我们可以深入了解宇宙的本质，并探索更深层次的规律。

宇宙空间的维度概念指的是描述宇宙几何结构所需的参数数量。

在物理学中，通常认为我们生活的宇宙是由三个空间维度和一个时间维度组成的四维时空。

具体如下：
1.三维空间：我们熟悉的物理世界由三个空间维度构成，即长度、宽度和高度。

这三个维度允许我们定义物体的位置和形状，并且可以通过三条互相垂直的坐标轴来描述一个物体的空间位置。

2.时间维度：除了三维空间外，时间是宇宙的另一个重要组成部分。

时间维度与空间维度结合，形成了四维时空结构。

在这个结构中，物体的运动和事件的发展可以在时间轴上展开。

3.超弦理论和M理论：在理论物理学中，超弦理论和M理论提出了更高维度的宇宙模型。

超弦理论认为宇宙可能有高达10或11个维度，其中6个或7个是紧凑化的，我们无法直接观察到。

M理论是一种将五种不同的超弦理论统一起来的理论，它预测宇宙可能有高达11个维度。

4.高维空间的可能性：虽然我们无法直观感受到高于三维的空间，但数学和物理学的理论研究表明，可能存在高于三维的空间维度。

例如，某些理论中的洛伦兹虫洞被假设存在于五维空间中。

5.维度与现实：宇宙是客观存在的，而维度是人为设置的概念，用于描述宇宙。

我们所知的现实世界似乎只需要三个空间维度加上时间维度就能充分描述。

宇宙空间的维度是一个复杂的概念，它不仅包括我们能够感知的三维空间和时间，还可能包括更高维度的空间，这些高维空间目前还
是理论物理学的研究范畴。

随着科学的发展，我们对这些高维空间的理解可能会有新的突破。

弦理论中的时空维度和超弦振动弦理论是理论物理学中一种重要的研究方向，旨在寻求一种统一描述自然界的理论，将引力和量子力学合一起来。

在弦理论中，时空维度和超弦振动是两个关键概念。

时空维度是指宇宙的维度数量，通常我们熟悉的是三维空间和一维时间。

然而，弦理论提出了一个令人惊讶的观点，即宇宙可能存在许多我们无法察觉的额外维度。

这些额外维度的隐藏导致了我们只能感知到三维空间和一维时间。

通过弦理论，我们可以理解为什么这些额外维度尚未被探测到。

那么，这些额外维度如何与我们所熟悉的三维空间联系起来呢？弦理论提出了一种称为“卷曲维度”的概念。

这里的卷曲并非物理空间的卷曲，而是指额外维度在微观尺度上的卷曲或者缠绕。

这种微观尺度的卷曲使得额外维度对我们目前的实验观测来说是不可察觉的。

因此，即使这些额外维度存在，我们也无法直接感知到它们，且无法将其与我们常规的三维空间区分开来。

除了时空维度的隐藏外，超弦振动也是弦理论的重要概念。

弦是一种类似于弹性绳索的对象，它的振动模式决定了不同粒子的性质。

超弦振动可以解释为不同模式的弦振动，这些振动模式产生了我们观测到的不同粒子，包括光子、夸克等基本粒子。

通过超弦振动，弦理论解释了物质和力的起源。

在弦理论中，超弦振动的频率与弦的能量以及它所存在的时空维度密切相关。

此外，超弦振动的自由度也与时空维度的数目有关。

举例来说，闭弦振动模式对应着平行时空维度的振动，而开弦振动模式则对应着横向时空维度的振动。

弦理论的一个重要结论是存在五种不同的超弦理论，它们之间的联系由M理论给出。

每种超弦理论都具有不同数目的时空维度和超弦振动模式。

这个理论的多样性使得我们可以解释宇宙中的不同现象，并为我们理解宇宙的演化提供了新的视角。

尽管弦理论是一种富有潜力的理论框架，但它仍然面临着一些困难。

例如，我们目前还无法通过实验验证弦理论的预言，这是因为弦的特征尺度非常小，远远超出我们目前的实验能力。

另外，弦理论中存在一些仍需解决的数学和理论难题。

多维空间，你能理解⼏维？（通俗解读，图⽂并茂）1234关于多维空间的的理论和设想⼀直让我着迷不已，虽然只能是兴趣，但我仍在⽹上找了相关的资料看，并乐此不彼。

对于⼗⼀维空间的超炫理论，在我很早的博⽂《宇宙有多⼤》和《关于UFO的能量猜想》中就简短的提及过，只是⾄今仍困惑不已。

12340维空间没有长宽⾼，单纯的⼀个点，如奇点。

1234⼀维空间只有长度。

1234⼆维空间平⾯世界，只有长宽。

1234三维空间长宽⾼⽴体世界我们⾁眼亲⾝感觉到看到的世界三维空间是点的位置由三个坐标决定的空间。

客观存在的现实空间就是三维空间，具有长、宽、⾼三种度量。

数学、物理等学科中引进的多维空间概念，是在三维空间基础上所作的科学抽象。

1234四维空间⼀个时空的概念⽇常⽣活所提及的“四维空间”，⼤多数都是指阿尔伯特·爱因斯坦在他的《⼴义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。

我们的宇宙是由时间和空间构成。

时空的关系，是在空间的架构上⽐普通三维空间的长、宽、⾼三条轴外⼜加了⼀条时间轴，⽽这条时间的轴是⼀条虚数值的轴。

根据阿尔伯特·爱因斯坦相对论所说：我们⽣活中所⾯对的三维空间加上时间构成所谓四维空间。

1234其余的维数还有：五维空间、六维空间、七维空间、⼋维空间、九维空间、⼗维空间、⼗⼀维空间。

“维”的定义1234⼀维是线，⼆维是⾯，三维是静态空间，四维是动态空间（因为有了时间）。

1234我们在物理学中描述某⼀变化着的事件时所必须的变化的参数。

这个参数就叫做维。

⼏个参数就是⼏个维。

⽐如描述“门”的位置就只需要⾓度所以是⼀维的⽽不是⼆维。

1234简单地说：0维是点，没有长、宽、⾼。

⼀维是由⽆数的点组成的⼀条线，只有长度，没有宽、⾼。

⼆维是由⽆数的线组成的⾯，有长、宽没有⾼。

三维是由⽆数的⾯组成的体，有长宽⾼。

维可以理解成⽅向。

1234因为⼈的眼睛只能看到三维，所以三维以上很难解释。

正如⼀个智⼒正常,先天没有⼀只眼睛,⼀只⽿朵的⼈(这样就没有双眼效应,双⽿效应),他就很难理解距离了,他很可能认为这个世界是2维的。

弦，即是线，一维的能量线。

弦是构成原子的粒子的超微观组成元。

弦存在于普朗克长度上，大约是米，比较一下，电子的半径是米，差了20个数量级，什么概念？若电子是太阳那么大，弦只有氢原子的大小。

①宏观物体②分子③原子④电子⑤夸克⑥弦在弦的尺度上，也就是普朗克长度上，空间不再平坦，空间可能是这个样子的。

弦理论认为，空间有三个展开维，即长、宽、高，以及六个卷缩维，蜷缩在普朗克长度的空间上。

弦则缠绕或依附在这样的空间维度上，在各个方向上振动，根据卷缩维的维度不同，弦的长度不同，形状不同，产生各种各样的缠绕能和振动能，从而形成各种性质的点状粒子与力，粒子拼合成不同的物质，在力的作用下，最后构成恢弘的宇宙。

六个卷缩维的空间结构是什么样子的？先想象一下，远距离观察一根细长的水管，你会觉得它只是一条一维的线，离近一点，你发现它是二维的，有宽度，再离近一点，哟，是三维的，中空的管。

同理，六个卷缩维纠缠在一起，离远了看，就像是一维的点，若放大了看，可能是这个样子的。

弦在这上面振动，再放大了看，可能是这个样子的。

弦有两种运动方式，非缠绕式的（a）以及缠绕式的（b）。

弦的能量有两个来源，振动和缠绕。

弦运动产生粒子与力，而各种粒子与力彼此之间的差异只是这弦线的长度、振动参数和形状的不同而已。

至于为什么是六个卷缩维，是因为六个刚刚好与目前人类实验观察到量子上的各种参数相符。

另在超弦理论中，卷缩维补充到七维。

这意味着我们有十维空间，十一维时空。

在宇宙从奇点大爆炸开始的那一刻，三个空间维展开，其余的很不幸，被窝在普朗克长度的空间里，展开不了。

至于为什么，解释不了。

我们用肉眼观察物体，取决于光的反射，借用先进的设备，如电子显微镜，我们可以观察到更小的物体，但当物体小到可见光的波长以下时，我们就无法直接观察到了。

此时我们观察物体，取决于「探针」，如光子、电子，用探针去撞击观测物体，得到相应的实验数据。

但若物体小到普朗克长度上，我们已知的探针相对于这样的尺度来说也是太大了，所以以目前人类的科技，「弦」是无法直接从实验中观测出来的。

三、超弦理论简介2006年7月世界著名数学家、哈佛大学教授丘成桐院士，在南开大学陈省身数学研究所演讲前后曾说：弦理论研究已经到了“重大革命性突破的前夜”。

2008年获得诺贝尔物理学奖的南部阳一郎，就是一位著名的弦理论先驱者之一。

2009年10月英国剑桥大学著名科学家霍金告别卢卡斯数学教授职位后，也是著名的弦理论先驱者之一的格林，获得了剑桥大学声望最高的卢卡斯数学教授席位。

卢卡斯数学教授职位于1664年设立，科学史上一些最伟大的人物都曾获得这一头衔，其中包括牛顿和狄拉克。

说明当代科学前沿的弦膜圈说已出现发展的势头。

现任我国《前沿科学》编委的美籍华人物理学家、美国杜邦中央研究院退休院士的沈致远先生说：“在美国超弦理论和圈量子引力论已成显学，占据一流大学物理系要津，几乎囊括了这方面的研究经费，年轻的粒子物理学家如不做弦论，求职非常困难，资深的也难成为终身教授”。

湖南科技出版社2008年4月出版了李泳先生翻译的斯莫林的《物理学的困惑》一书，在该书开头11页至15页有，即使斯莫林是站在反对弦论者的代表人物的立场上，他也不得不承认：“在美国，追求弦理论以外的基础物理学方法的理论家，几乎没有出路。

最近15年，美国的研究型大学为做量子引力而非弦理论的年轻人一共给了三个助理教授的职位，而且给了同一个研究小组”。

“因为弦理论的兴起，从事基础物理学研究的人们分裂为两个阵容。

许多科学家继续做弦论，每年大约有50个新博士从这个领域走出来”。

“在崇高的普林斯顿高等研究院享受有永久职位的每个粒子物理学家几乎都是弦理论家，唯一的例外是几十年前来这儿的一位。

在卡维里理论研究所也是如此。

自1981年麦克阿瑟学者计划开始以来，9个学者有8个成了弦理论家。

在顶尖的大学物理系（伯克利、加州理工、哈佛、麻省理工、普林斯顿和斯坦福）。

1981年后获博士学位的22个粒子物理学终身教授中，有20个享有弦理论或相关方法的声誉。

弦理论如今在学术机构里独领风骚，年轻的理论物理学家如果不走进这个领域，几乎就等于自断前程。

超弦理论介绍| [<<] [>>]1.什么是物质组成的最终单元？在过去的一百多年里，物理学家已经发现了一连串越来越小和越来越基本的物质组成单元。

这些研究成果最终被总结成为标准模型：轻子(象电子和中微子)、夸克以及将这些粒子捆绑在一起的电磁力、弱相互作用力。

但是，标准模型并不是故事的结局，因为它实在是太复杂了，它本身并不能解释一个比元素周期表还要复杂的基本粒子表以及它们之间的相互用力。

现在，弦理论家们普遍相信标准模型中的基本粒子实际上都是一些小而又小的振动的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦)，所有粒子都可由闭弦的不同振动和运动来得到，从本质上讲，所有的粒子都是质地相同的弦。

这一听似奇怪的想法能够解释标准模型的许多粗旷轮廓和特性，但是在决定性实验验证弦理论之前，人们仍然有必要对它进行更深刻的认识和了解。

2.量子力学的原理和广义相对论是相冲突的吗？量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论，但令人惊讶的是这两个理论在现有的框架下是相冲突的。

简单说来，量子力学认为没有任何东西是静止不动的，任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。

广义相对论认为时空是弯曲的，弯曲时空是万有引力的起源。

将这两个理论结合就可以导出时空本身也是每时每刻都在经历着量子的起伏涨落。

在大多数情况下，这些涨落是很小很小的，但在一些极端情况下，比如说在极短距离下、在黑洞的视界附近，在大爆炸的初始时刻等等，这些量子涨落将变得非常重要。

在这些情况下，我们现有的理论(量子力学和广义相对论)是不适用的，只能得到一些结果为无穷大荒谬结论。

很显然，我们需要一个更完备的理论。

令人惊讶的是，从粒子物理学中发展起来的弦理论提供了这一问题的答案。

在弦理论中，由于弦的延展性(一维而不是一个点)，引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义，时空量子泡沬由“弦几何”代替了。

现在，用弦理论已经解决了有关黑洞量子力学问题的一些疑难。

如何用弦理论来说明宇宙大爆炸的初始奇点仍然是一个没有解决的大问题。

超弦理论(Superstring)属于弦理论的一种，也指狭义的弦理论。

是一种引进了超对称(SuperSymmetry)的弦论(String Theory)，其中指物质的基石为十维空间中的弦。

一、近代物理学发展过程18、19世纪：牛顿运动定律麦克斯韦电磁学｜＼／｜｜＼／↓（融合）｜（光速冲突）波动理论—┬—粒子理论↓↓｜20世纪初期：经典力学狭义相对论↓（低速运动）（高速运动）波粒二象性＼／↓（引力冲突）（能量困境）↓↓20世纪中期：广义相对论量子力学（宏观世界）（微观世界）｜（水火不容）｜└----------------------------┘↓20世纪80年代：超弦理论↓（衍化）↓20世纪末21世纪初：M理论↓未来：？？？二、近代物理学简介1.光速冲突与狭义相对论牛顿运动定律认为，一个物体只要以光速运动就会发现光是静止的；而麦克斯韦电磁学认为，任何物体的运动都不可能达到或超过光速。

于是引发了爱因斯坦的狭义相对论，彻底改变了人们对时空的认识。

狭义相对论的几个核心思想：第一，空间和时间都是相对的——相对性原理；第二，光的速度永远是30万千米每秒——光速不变原理；第三，质量和能量可以转化——质能方程。

关于第一点，空间和时间是一个整体，空间能够影响时间，时间也能够影响空间。

例如：运动的物体长度会缩短，时间也会变慢。

另外，任何物体都可以认为自己是静止的，而其他参照物在动——也就是说，运动的观测者和静止的观测者都可以认为是对方的时间变慢，即没有“绝对”，只有“相对”。

关于第二点，传统运动定律认为，如果你沿着光的方向运动光与你的相对速度就会减小，而如果你朝向光运动光与你的相对速度就会增加并且超过光速。

而狭义相对论认为，无论你向哪个方向运动，光与你之间的速度都是30万千米每秒，永远不变。

关于第三点，爱因斯坦认为质量与能量可以相互转化，其间满足E=mc^2的关系。

一个物体运动越快，质量也越大，当接近光速的时候质量会接近无穷大，需要无穷大的能量推动，因此任何物体的运动速度都不可能比光快。

超弦理论简介1早期萌芽1968 年, 意⼤利物理学家 Gabriele Veneziano (加布⾥埃莱·韦内齐亚诺, 1942-) 注意到, 若将欧拉 Beta 函数解释为散射振幅, 则它恰可描述介⼦强相互作⽤中的许多现象. 随后, 在 1969 到1970 年之间, Yoichiro Nambu (南部阳⼀郎, ⽇本, 1921-2015), Holger Bech Nielsen (丹麦, 1941-)与 Leonard Susskind (伦纳德·萨斯坎德, 美国, 1940-) 指出, Veneziano 的思想, 事实上就是把强相互作⽤⼒视为源于振动着的⼀维弦 (string). 不过,随着 1973 年描述强相互作⽤的更好的理论量⼦⾊动⼒学 (QCD: Quantum Chromodynamics) 的确⽴, “弦论” 作为⼀种描述强相互作⽤的理论的想法,就被抛弃了.1974 年, John Henry Schwarz (施⽡茨, 美国, 1941-), Joël Scherk (法国, 1946-1980), 以及Tamiaki Yoneya (⽶⾕民明, ⽇本, 1947-) 发现, 弦振动可以导致引⼒⼦ (graviton) 的出现. 由此⼈们意识到, 之前的 “弦论” 的威⼒可能被⼤⼤低估了. 此后, 玻⾊弦理论 (bosonic string theory) 逐渐发展了起来. –简单说来, 所谓弦论的基本思想就是: 物质世界的基元可以看成是⼀维的弦, 弦的不同振动模式, 就对应不同的基本粒⼦. –对于玻⾊弦理论,它有以下⼏个特征:1) 会有额外维 (extra dimension) 出现–在 1971 年的时候, Claud Lovelace(1934-2012) 就指出,玻⾊弦的时空维数是 26;2) 会有超光速的快⼦ (tachyon) 出现;3) 正如其名, 它只包含玻⾊⼦, 尚不能描述费⽶⼦.因此, 为了把费⽶⼦也包含进来, Pierre Ramond (法/美, 1943-), André Neveu (法国, 1946-), 以及 Schwarz 于 1971 年把超对称[1] (SUSY: supersymmetry) 的思想引进了弦论; 这样以后我们得到的理论, 称为超弦理论(superstring theory).2弦论的第⼀次⾰命1984 年, Michael Green (英国, 1946-) 与 Schwarz 发现, type I string theory 中的反常 (anomaly)可以通过 Green-Schwarz mechanism ⽽得到消除. 此时, ⼈们意识到弦论应该可以描述所有基本粒⼦以及粒⼦间的基本相互作⽤. 这就拉开了所谓第⼀次超弦⾰命的序幕. 1985 年, David Gross (美国, 1941-), Jeffrey Harvey (美国, 1955-), Emil Martinec (美国, 1958-) 以及Ryan Rohm (美国, 1957-) 提出了杂化弦理论 (heterotic string). 同年, Philip Candelas (英国, 1951-), Gary Horowitz (美国, 1955-), Andrew Strominger(美国, 1955-) 以及 Edward Witten (威腾, 1951-) 发现, 为了获得 N = 1 超对称, 6 个额外维 (超弦的临界维数为 10, 这件事已由 Schwarz 于 1972 年发现) 必须紧化 (compactified) 到卡拉⽐-丘流形 (Calabi-Yau manifold) 上[2] . 到 1985 年, ⼈们已发现 5 种超弦理论: type I, type IIA and IIB, 以及两种杂化弦理论, SO(32) and E8 × E8.图 1: M-理论以及五种超弦理论之间的相互关系3弦论的第⼆次⾰命1990 年代早期, Witten 等⼈发现, 有证据表明, 不同的超弦理论都是同⼀个 11 维理论–即现在⼈们所熟知的 M-理论[3]–的不同极限. 这促成了弦论在 1994 到 1995 年间开启的⼜⼀次⼤发展, 称为第⼆次超弦⾰命. 这⼀时期⼈们发现, 不同的超弦理论可以通过各种对偶 (duality) 联系起来:如S-duality, T-duality, U-duality, mirror symmetry, 以及 conifold (流形manifold 的⼀种推⼴) 变换等等. 1995 年, Joseph Polchinski (美国, 1954-2018) 发现, 弦论中必须有⼀种更⾼维的对象, 称为D-膜 (D-brane), 它们作为 Ramond-Ramond 场的激发源⽽存在. D-膜的提出使⼈们发现了弦论与数学的更深刻的联系; 代数⼏何, 范畴论, 扭结理论等近现代数学得以更紧密地参与到弦论中来. 1997 到1998 年之间, Juan Maldacena (阿根廷, 1968-) 提出了关于弦论与 N = 4 SYM 之间关系的⼀种猜想, 称为 AdS/CFT 对偶 (AdS/CFT correspondence; 也称为 Maldacena duality 或gauge/gravity duality). 作为全息原理 (holographic principle) 的⼀种实现, AdS/CFTcorrespondence影响深远, 为物理学中众多⼦领域内的问题 (如⿊洞信息悖论等) 提供了⼀种有⼒的研究⼿段. 同样在 1998 年, Nima Arkani-Hamed (伊朗裔, 1972-),Savas Dimopoulos 与 Gia Dvali 提出了⼤额外维 (large extra dimension; 其中 “⼤” 是相较于 Planck 尺度⽽⾔的) 的概念(⼜叫 ADD 模型). 此理论认为, 现实世界的规范理论被束缚在 D3-膜上, ⽽引⼒则未被其束缚, 可以泄漏到额外的维度 (称为 bulk) 之中. 这⼀理论为解释 hierarchy problem–即引⼒与其它三种⼒之间的差异何以如此之⼤的问题–带来了可能.图 2: ⼤额外维对 hierarchy problem 的解释图景.之前我们曾经提到过, 额外维的不同紧化⽅式, 将给出不同的宇宙. 现在我们来仔细叙述这件事.额外维不同紧化⽅式的 configuration 对应不同的能量; 因为这时我们考虑的四维时空是不含任何物质的, 故我们称之为真空能量 (vacuum energy). 额外维紧化的所有可能的伪真空 (false vacuum,估计有 10272,000 个) 的集合, 构成⼀个 string theory landscape[4]. 因为我们这个宇宙的⼀些基本常数是不随时间变化的, 所以我们相信各可能宇宙应落在这张 landscape 的各⼭⾕,即稳定真空 (stable vacuum) 处. 2003 年 3 ⽉,Michael R. Douglas (美国, 1961-) 关于 string theory landscape 的研究表明, 弦论具有⼤量 (∼ 10500) 的稳定真空. 这促进了弦论关于宇宙演化, 多重宇宙等课题的更深⼊的探究. 例如说, 时时刻刻发⽣着的从⼀个⼭⾕到另⼀个⼭⾕的量⼦跃变, 形成了不断产⽣ (⽽且可以嵌套产⽣) 的⽆数的泡泡(bubble); 我们所在的可观测宇宙, 即其中某⼀个泡泡中的某⼀个⼩区域; ⽽宇宙⼤爆炸, 即某次跃变的初始时刻. 从⽽, 这也就对诸如Fine-tuning 等问题给出了⼀种可能的解释.图 3: String theory landscape.4机遇与挑战众所周知, ⽬前为⽌, ⼈类的基础物理学⼤厦中有两座最⾼峰: 量⼦场论与⼴义相对论. 前者以杨振宁的规范原理为核⼼组件, 统⼀了⾃然界四种基本相互作⽤中的电磁, 强, 弱三种; ⽽后者则⽤⼏何化的语⾔描述了万有引⼒. 不过, 这两座巍峨⾼峰⽬前却⾯临着⼀些〸分严重的问题, 例如:1) 尽管可以为重整化 (renormalization) 所抵消, 但量⼦场论中的发散现象, 其根本原因或机制仍有待弄清;2) 我们完全有理由相信, 在某个极⾼能标上–例如在⼤爆炸奇点或⿊洞等极端场景中, 引⼒应该是量⼦化的–即我可以期待⼀个正确的关于量⼦引⼒的理论. 但在⽬前的知识层次上, 关于引⼒量⼦化的⼀些粗浅的构建, 连重整化都不能得到很好的解决, 就更遑论其正确性 (或预⾔⼒) 了.⽽超弦理论的出现, 由前⽂的叙述我们显然可知, 为解决前述问题提供了⼀个⾮常有前景的⽅案.不仅如此, 现在, 我们对弦论的最⾼期望, 是它能为基本粒⼦, 相互作⽤, 甚⾄是时空本⾝, 提供⼀个⽐现有理论更为基本的统⼀描述 (这样的理论称为万有理论, 即 TOE: Theory of Everything); ⽽相对论 (现有引⼒理论) 与量⼦场论等, 则作为此理论的低能近似出现. 从弦论的发展历程与研究现状两⽅⾯看, 我们弦论学家们相信, 这并不是⼀个不可触摸的奢望.[1]：联系玻⾊⼦与费⽶⼦的⼀种数学变换; 它宣称每种玻⾊⼦都有对应的费⽶⼦超伴(superpartner): 如引⼒⼦将有⼀个⾃旋为 3/2 的费⽶⼦超伴引⼒微⼦ (gravitino). 反之亦然. 超对称思想最早可追溯到库尔特·哥德尔 (Kurt Gödel; 奥地利/美国, 1906-1978); Y. A. Golfand 与 E. P. Likhtman 等⼈于 1971构造出构⼩超 Poincaré 代数; Julius Wess 与 Bruno Zumino 于 1974年构造出四维时空中最简单的场论; Dan Freedman, Sergio Ferrara 与 Peter van Nieuwenhuizen 于 1976 年构造出超引⼒ (SUGRA:supergravity) 理论.[2]: 额外维的紧化⽅式/拓扑, 决定了我们这个宇宙 (中的粒⼦/规律) 的样貌. 我们熟知的轻⼦或夸克皆有3 代等这些事, 皆可由弦论额外维的紧化得到释释. Calabi-Yau 流形的⼀个重要特征, 是它破坏了对称性;这恰好完美说明了量⼦场论中的⾃发对称破缺 (spontaneous symmetry breaking)这⼀现象. 参见稍后我们将提到的 string theory landscape.[3] M-理论的具体实现⽅法之⼀是矩阵⼒学, 故这时我们可称前者为 matrix theory. 在此理论之中,若我们把 n 空间维度紧化到⼀个 torus 上, 则我们就可得到⼀个对偶的矩阵理论, 后者即 n 1 维时空中的量⼦场论. M-理论的诸多重要概念之⼀是, 它认为时空不是先验 (a priori) 的, ⽽是从真空中emerge (涌现/层展) 出来的。

多维空间：了解超弦理论对于我们⼤多数⼈来说，⽆法想象三维以上的空间究竟是什么样的世界，当我们凭直觉知道这样的世界不可能存在时，我们的直觉是正确的吗?还是我们的⼤脑根本⽆法想象这样的维度。

⼀个⼯程师，⼀个数学家和⼀个物理学家分别⾛进宇宙，那么他们都发现了多少维度?⼯程师拿出量⾓器，把它拉直，说这很容易，然后他⽤尺⼦展⽰了三个相互垂直的⽅向:长度、宽度和⾼度，“有三个维度” 这是他的结果。

数学家拿出他的记事本，创建了⼀列规则、对称、两边垂直的⼏何图形，他指出：正⽅形有四条直线的边，⽽⽴⽅体有六⽅⾯；根据推算，超⽴⽅体有8个⾯，根据这个模式，他可以⼀直⽆穷的推算下去。

最后轮到物理学家了，他抬头凝视着星星，仔细地记录着它们的轨迹。

他确定它们是通过引⼒互相吸引，引⼒随着彼此的距离逐渐减⼩，他认为这是三维；然⽽他推导出光在空间移动的⽅程式后，他发现了四维最好的表达⽅式；经过深思熟虑，他试着⽤⼀个普通的理论来描述重⼒和光，可这个理论似乎最少需要⼗个维度，甚⾄更多。

下⾯进⼊正⽂：这⾥有你想要了解的关于弦理论的所有东西，弦理论是迄今为⽌最引⼈注⽬(也是最有争议的)物理学理论之⼀。

弦理论有26个维度，它假设有可能破坏我们整个宇宙所有物理的虚质量物体，粒⼦和⼒仅仅是由振动激发的结果，以及整个理论所包含的⼀切内容，都是令⼈难以置信的。

但是，它怎么可能说得通呢？毕竟，我们只经历了四个维度(空间的三个维度和时间的⼀个维度)，所以26个维度⽐4个维度多了22个维度。

这就是“超弦理论”出现的缘由。

弦理论的基础弦理论指出，宇宙中的所有物质都是由微⼩的⼀维弦组成的，⽽不是点状粒⼦（本质上是0维的）。

根据弦理论，“弦”是我们宇宙中物质和⼒相互作⽤最⼩的纯能量的微⼩部分。

⼀般量⼦弦近似为10-33厘⽶长（这是⾮常⼩的长度）。

在弦理论家看来，所有的普遍成分（费⽶⼦、夸克和轻⼦、强⼦、玻⾊⼦和光量⼦这样的⼒载流⼦）都是由弦的振动模式（通常是排列⽅向）决定的。