超弦理論：探究時間、空間及宇宙的本原（簡體書）

加州理工學院理論物理研究所所長、東京大學Kavli數學物理學聯合宇宙研究機構研究主任大栗博司教授科普力作

時空概念的第三次革命
現代物理學的前沿課題
黑洞、高維空間的機制解答
啟發對宇宙的極致思考顛覆對世界的傳統認知

2014年日本講談社科學出版獎獲獎圖書

盧建新_中國科學技術大學教授李淼_中山大學教授朱傳界_人民大學教授推薦

 

“空間”和“時間”到底是什麼？
物質的本原不是點，而是弦？
黑洞、高維度空間應該如何解釋？
“超弦理論”是繼牛頓力學、愛因斯坦相對論之後，時空概念的“第三次革命”。“超弦理論”統一了引力理論與量子力學的矛盾，越過了“弦理論”的局限，解釋“標準模型”中“費米子”與包括“上帝粒子”的“玻色子”的振動形態。本書中，大栗教授以通俗、風趣的語言講解了量子物理基礎、“弦理論”到“超弦理論”的新發展、“超弦理論”的理論原理及證明，並在“超弦理論”下重新思考與探究了時空概念。

大栗博司
美國加州理工學院理論物理講席教授，理論物理研究所所長，日本東京大學Kavli數學物理學聯合宇宙研究機構（Kavli IPMU）研究主任。東京大學理學博士，發現了量子場論與超弦理論的深層數學構造，其研究曾獲得美國數學學會大獎（2008年）、德國洪堡研究獎（2009年）、日本仁科紀念獎(2009年)、日本數學學會詹姆斯?西蒙斯獎（2012年），《超弦理論：探究時間、空間及宇宙的本原》獲得2014年第30屆日本講談社科學出版獎。

日本近來盛產諾貝爾獎獲得者，可能只有少數人知道，日本還盛產理論物理學家和數學家，他們中有不少人對所謂的萬有理論即超弦理論做出了重要貢獻，其中有南部陽一郎、米穀民明以及本書作者大栗博司。這本關於超弦理論的科普著作深入淺出，在日本十分暢銷，我毫無保留地推薦給大家。
——李淼，中山大學教授

能夠以通俗語言和比喻講解高深理論的本質，這是作者深厚理論修為下的成果。
——日本講談社科學出版獎評委評語

從古至今，人類從未停止追問“空間是什麼”和“時間是什麼”。我們早已習慣了空間和時間的存在，將其視為日常生活的前提。但是，只要靜下心來重新思考它們是什麼，就會發現這是十分深奧的問題。我們目前感知到的空間為具有長、寬、高三個度量的三維空間，感知到的時間為從過去到未來的單向流動。可是隨著科學的發展，關於空間和時間的觀點卻在發生著巨大的變化。
物質是否獨立於空間與時間？人類從古希臘時代開始就一直積極探索這一問題。公元前4世紀的哲學家亞里士多德認為，自然界不存在純粹的“真空”，他認為“自然界厭惡真空”。無論空間還是時間都是伴隨著物質及物質的運動而定義的，也就是說物質不獨立於時空而存在。
此後，亞里士多德提出的這一時空概念在歐洲統治了兩千多年。
但是到了17世紀，艾薩克·牛頓掀起了時空概念最初的革命。牛頓為了完成力學理論，他引入了從物質獨立出來的“絕對空間”和“絕對時間”的概念。空間是自然現象的容器，是獨立存在的。時間在宇宙的任何角落都是一樣的。這種觀點與我們普通人對空間和時間的感覺很相近。牛頓的力學對低速運動的描述非常成功，構成了現代社會的科學基礎，其“絕對空間”和“絕對時間”的觀念因此為一般大眾所接受。
不過，進入20世紀後，出現了關於時空概念的第二次革命。阿爾伯特·愛因斯坦推翻了牛頓的空間和時間絕對不變學說。
愛因斯坦在1905年發表了狹義相對論，認為空間和時間會因觀測者的速度而伸縮；並於1916年發表了廣義相對論，認為空間和時間的伸縮可以揭示物質之間的引力。空間和時間不僅僅是物理現象的容器，還與其中的引力有著密切的關係，在引力的作用下會產生伸縮變化。
也許我們對時空的伸縮一無所知。但是，愛因斯坦的理論與我們的日常生活是緊密相連的。例如智能手機和汽車導航使用的GPS（全球定位系統）定位，必須把廣義相對論和狹義相對論中提到的時間伸縮計算進去才能精准定位。
然而，故事並沒有在愛因斯坦這裡結束，現在正要興起時空概念的第三次革命。這是一種出人意料的說法，即空間只不過是一種呈展，即衍生的概念。①
雖然愛因斯坦主張在引力的作用下空間和時間是伸縮的，但是他並不懷疑作為自然現象框架的空間和時間的存在。不過隨著後來物理學的發展，這種觀點發生了改變。
大約在愛因斯坦發表引力理論（廣義相對論）10年後，微觀世界的法則——量子力學得以確立。於是我們發現，引力理論與量子力學之間存在嚴重的矛盾。攻克這一矛盾並建立統一兩者的理論，成了現代物理學的重大課題。
本書所講述的超弦理論就是解決這一課題的相關理論。這個理論認為，物質不是由粒子組成的，而是類似於線狀的“弦”。雖然這一關於物質組成的超弦理論還未得到實驗的驗證，但是它是能夠解決引力理論和量子力學之間矛盾並將二者統一的理論，是描述基本粒子的終極統一理論中的最有力備選理論，非常值得我們期待。
超弦理論既是關於物質的理論，又是關於空間和時間的理論。超弦理論的研究中發現了令人震驚的現象，那就是空間的維度變化。我們所熟知的三維空間會變成四維或二維空間。另外，根據不同的觀測方式，在三維空間出現的現像也同樣會出現在九維空間。
① 指空間在基本規律作用下的體系形成新的層次而呈現出的一種特性。呈展論（emergence），認為物質結構是分層次的，每個層次都會展現全新的性質，這些性質已超出了基本規律如基本粒子物理領域，可以被稱作層展性質，與其相關的現象就是層展現象。
下面舉個例子來說明。日常的生活經驗告訴我們，冰是堅硬的，是由形態自由的水凝固而成的。但是在微觀世界裡，它們的特性差異是用分子的結合方式來解釋的。分子本身並不具備冰的特性和水的特性，單獨看每個分子，冰和水就沒有區別了。數量龐大的分子聚集的時候，由於聚集方式不同，冰和水才具備了各自不同的特性。
另外，如同冰和水的區別那樣，“溫度”也是一個次生性概念。我們日常生活中感知的冷暖是用“溫度”這個標準來衡量的。但是在微觀世界裡，各個分子自身不具備溫度特性，溫度只不過是分子平均能量的表現。從分子的層面上講，溫度這一概念也是不存在的。那麼或許可以說，溫度是我們從微觀世界層面中產生的呈展效應。②
超弦理論就是以空間維度為對象，進行了與上述例子類似的思考與研究。例如空間的維度變化、觀測方式差異下不同維度空間中出現的相同現象，我們也並不能確定這些是否是空間這一概念的本質。或許就像溫度只不過是分子運動的表現那樣，“空間”也是某種更加本原東西所表現出的次生概念，也就是說“空間”也只是我們在本原層面中的呈展結果。超弦理論中就是這麼講的。
② 簡單說即是宏觀層面上對微觀現象的一種等效描述，或者說是對其更本原的規律在宏觀層面上的一種刻畫。
這麼一說，你可能會想：怎麼盡是些打破常規的言論。但是，物理學家可不是喜歡打破常規的人。相反，他們非常保守。例如，他們會執著於已經確立的理論，不會輕易摒棄，直到山窮水盡，無路可走。當然，如果愛因斯坦的理論能夠不改變，那是最好了。所以打破常規的言論與物理學家的精神追求是不相容的。我們物理學家早上去大學上班時，可不是突發奇想“好，今天就掀起時空概念的革命吧”，繼而開始搞起研究的。我們平常思考的是關於各個物理現象的具體研究課題。
不過，對於研究最尖端的基本粒子物理學來說，引力理論和量子力學都很重要。因此，我們正在探求一種能夠消除引力理論和量子力學之間的矛盾，並能將二者有機結合的新理論。各種應運而生的理論相繼被推翻，最後剩下了以“弦”為物質基礎的超弦理論。
另外，在該理論的數學邏輯確認研究過程中，我們發現了空間的維度變化這一驚人的現象。也就是說，對自然本質的科學探求，引領我們不得不重新思考“空間是什麼”。我撰寫本書的目的就是想讓大家也能夠理解這一點。
關於本書的閱讀方法，下面贅述幾點個人建議。
我在撰寫這本書時，使用了最低限度的相關專業背景知識，來介紹超弦理論的最新研究成果。不過，為闡述後面內容做準備，第一章和第二章將先講解一些關於量子力學和基本粒子論的基礎知識。
如果有的讀者想儘早閱讀超弦理論部分，或者感到這兩章讀起來有困難，不妨先閱讀第三章，真正介紹超弦理論是從第三章開始的。掌握了該理論的全貌後，如果還想深入了解的話，可以再回過頭來閱讀前面的章節。
第三章介紹了超弦理論體系下作為物質基礎的基本粒子和粒子之間的作用力。另外還解釋了“弦理論”轉變為“超弦理論”的原因，並詳細講解了兩者的差異以及發展過程。
第四章闡明了超弦理論中關於“空間的維度限定”之理由。超弦理論的一大特徵是，空間的維度是確定的。本書嘗試對其中的原因進行解釋說明。不過，剛開始閱讀的時候不要覺得太難，即使以“在超弦理論中維度是確定的”為前提輕鬆地閱讀，也不會為後面內容的理解設置障礙。
第五章的內容脫離了超弦理論的主線，介紹了引力和電磁力等自然界中所有力的統一原理。這個原理叫作“規範場論”。關於基本①粒子的基本理論（標準模型）和之後登場的超弦理論都涉及了這個原理，所以本書盡量簡單又準確地解釋了“規範場論”。不過，如果覺得概念過於抽象，難於理解，只要記住“規範對稱性”這個詞語後，接著讀下一章就可以了。在後面的內容中會再次遇到“規範對稱性”這個詞時，若想對其深入了解，可返回第五章閱讀。
從第六章開始，超弦理論終於成為了主角。
第六章講述的是“第一次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論在基本粒子理論的世界裡一舉成名。第八章講述的是“第二次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論飛躍到了一個新的高度。這兩次“事件”介紹了超弦理論研究中的戲劇性的進展與突破。另外，夾在這兩章之間的第七章，記述了我自己迷上超弦理論和投身該理論研究的原委。
第九章提出了空間是“呈展”的觀點。通過超弦理論的研究，我的世界觀被徹底顛覆了。我也想讓大家擁有這樣的體驗，這就是我撰寫本書的動機所在。
如果空間是呈展的話，那麼時間是否也是呈展的？大家也都很關心這個問題吧？過去和未來，它們真的有什麼區別嗎？時間到底是什麼呢？最後的第十章是關於時間的思考。
每章的開頭會引用與本章話題相關的文學作品或歷史文獻做簡單引導。另外，每章結尾的小專欄可以讓讀者放鬆休息。單獨閱讀這些內容亦是閱讀本書的樂趣所在。
拙作《引力是什麼》和《強力與弱力》中的插圖基本上都是我自己畫的。至於本書，插圖雖不是很多，但圖表的數量不少，所以是委託專業人員製作的。不過，書中科學家們的肖像畫與前兩本書一樣，都是我自己畫的。因為我覺得我了解他們的研究內容，可以在畫中更多地表現其內涵。
大家可以根據自己的習慣，用不同的閱讀方法來體會本書的樂趣。
接下來，就讓我為大家解釋一下物理學家認為“空間是呈展”的理由吧。

目錄

前言

第一章為什麼不是“點”？
1、“點”是沒有部分的
2、物質是由什麼組成的
3、標準模型之問題一：暗物質與暗能量
4、標準模型之問題二：無法解釋引力
5、解釋場力不可思議的“場”
6、點粒子引起的“無窮大”問題
7、不放棄“點”的想法

第二章微觀世界的“窮途末路”與“柳暗花明”
1、解決無窮大的兩種可能
2、光既是“波”又是“粒子”
3、“反粒子”也會引起無窮大
4、“重整化”的作用超出了我們的預想
5、“重整化”讓“無知的分類”變為可能
6、引力為“重整化”關上了一道門
7、黑洞是結構層次的終點

第三章從“弦理論”到“超弦理論”
1、以根本解決方案為目標的弦理論
2、17種基本粒子都是由一種“弦”組成的
3、“開弦”是意大利乾麵條，“閉弦”是通心粉
4、為什麼弦可以消除無窮大
5、光子是“開弦”的振動
6、“閉弦”傳遞引力
7、弦理論與超弦理論的區別
8、什麼是“超空間”
9、什麼是“超對稱性”
10、我們在超空間裡嗎？

第四章為什麼是九維空間？
1、為什麼這個世界是三維的
2、弦理論適用的空間為二十五維！
3、光子沒有質量
4、“量子搖擺的能量”並不為0
5、“光子的質量”之探究方法
6、不可思議的公式推導出二十五維
7、為什麼超弦理論的維度是九維

第五章力的統一原理
1、力有共通的原理
2、電磁場與金融市場相似
3、電場與利率
4、磁場與匯率
5、金融市場中也存在“電磁感應”
6、電磁場中也存在“貨幣”
7、電磁場的“標尺”是旋轉的圓
8、關於“高維度的貨幣”的楊-米爾斯理論（Yang-Mills theory）

第六章第一次超弦理論革命
1、被拋棄的超弦理論
2、不破壞宇稱對稱性的Ⅱ型超弦理論
3、“疾病”纏身的Ⅰ型超弦理論
4、標準模型的異常被抵消
5、“三十二維的旋轉對稱性”
6、超弦理論與弦理論的“聯姻”——雜交弦理論
7、用“卡拉比-丘成桐空間”簡化九維
8、“卡拉比-丘成桐空間”的歐拉數決定“世代數”！
9、對人擇原理的抵抗

第七章拓撲弦理論
1、無法忘記第一次超弦理論革命給我帶來的感動
2、在距離都無法測量的空間內能幹什麼？
3、發現了計算方法
4、拓撲四人組
5、加利福尼亞州的第二次超弦理論革命

第八章第二次超弦理論革命
1、威騰的不滿
2、一種理論的五種化身
3、結合兩種Ⅱ型理論的“T對偶性”
4、異端之美——十維的超引力理論
5、從一維的弦到二維的膜
6、可以從十維的理論導出九維的理論嗎？
7、“強度”改變維度！
8、“對偶網”與M理論
9、維度是什麼？空間是什麼？

第九章空間是幻想
1、出現在十維空間內的五維物體
2、“主角”不再是弦
3、“開弦”纏著D膜
4、弦的複活
5、“開弦”是“黑洞的分子”！
6、視界線是電影的銀幕
7、引力的全息術（holography）
8、空間是幻想
9、被證實的預言
10、空間是由什麼組成的？

第十章時間是“幻想”嗎
1、空間是什麼
2、時間是“幻想”嗎
3、為什麼時間有“方向”
4、知曉宇宙開始的引力波和中微子
5、繼續挑戰超弦理論

後記