互动科普

超弦理论的原型，是在20世纪70年代前后由南部阳一郎（2008年诺贝尔物理学奖得主）首先提出的。现在的超弦理论，认为基本粒子（电子、光子等“自然界的最小零件”）本质上是弦；而在当时的理论中，认为弦所构成的是一些被称为“强子”的相对较大的粒子。

强子是组成原子核的质子、中子等粒子的统称。南部阳一郎认为，弦的不同振动模式，正对应着不同强子的类型。

 比较南部阳一郎的强子弦理论（上部），与现代物理学中的强子图像（下部）。强子是指由3个夸克组成的质子、中子等，以及由两个夸克组成的介子。与夸克同时出现并连接夸克对之间的力，称为“强力”。

弦理论一度成为了“过时的理论”

此后，随着“量子色动力学”的兴起，弦理论开始衰退。现在一般认为，质子等强子是由几个被称为夸克的基本粒子组成的，也就是说，质子不是自然界中的最小零件（基本粒子）。量子色动力学认为，夸克之间，是被传播力的叫做“胶子”的基本粒子 “相互交换”作用而结合在一起的。

尔后，量子色动力学不断壮大。弦理论中要求有高维空间的存在，这在当时是一个致命的缺陷。如此一来，量子色动力学逐渐成为了现代基本粒子物理学基础的“标准模型”的一个重要组成部分；而弦理论渐渐成为过时的理论。

长期以来，持续关注弦理论的学者很少。在20世纪70年代，约翰·施瓦茨博士、约尔·舍尔克博士和米谷民明博士的小组分别独立地揭示出，如果使用弦，就有可能基于量子论来解释引力。就像前文介绍的那样，这暗示了弦理论能够把用于微观世界的“量子论”和用于引力现象的“广义相对论”统一起来。

尽管有了这么重要的发现，但在基本粒子物理学领域，包含量子色动力学在内的标准模型正处于全盛时代，弦理论依然没有受到关注。

到了1984年，情况终于出现了转机。施瓦茨博士和迈克尔·格林博士从理论上揭示了，超弦理论是自洽的理论，而且可能成为统一量子论和广义相对论的理论。以这篇文章为契机，超弦理论引起了广泛的关注，这个领域开始活跃起来。而随后这几年，一般称作“第一次超弦理论革命”。

 构成物质的基本粒子家族（费米子）用不透明的球表示，传播力的基本粒子家族（玻色子）用半透明的球表示。虽然尚未发现，但专家认为可能存在着带有玻色子性质的“类电子”（标量电子），以及带有费米子性质的“类光子”（光微子）等粒子。这些粒子就是超对称粒子，上图把超对称粒子表现为一面假想镜子的像。

超弦理论的“超”为何意？

在南部阳一郎时代的弦理论，并没有这个“超”字，那么超弦理论的“超”是何意呢?

超弦理论，究其本意，其实是“假定有超对称粒子存在的弦理论”。而所谓“超对称粒子”，是指已经知道的基本粒子的“伙伴粒子”，但尚未被人发现。

同时，超对称粒子是天文学中最大谜题之一的“暗物质”（dark matter）的候选者。暗物质在宇宙中是“可见物质”的5倍左右，尽管看不见，但是它可以通过引力来影响周围的物质。

基本粒子有很多种，可以分成“用于形成物质的基本粒子家族”与“传播力的相互作用的基本粒子家族”两个差别巨大的种类。前者有电子、夸克等（为费米子），后者有光子、引力子等（为玻色子）。

但是理论上认为，类似电子的玻色子或者类似光子的费米子实际上也是可以存在的，这些未被发现的基本粒子，就是超对称粒子。在超弦理论中，包含超对称粒子在内的所有基本粒子，都被认为是弦。

还只能进行“近似的”计算

在第一次超弦理论革命之后，理论上的发展暂时停滞了，下一次的转机要到1995年，也就是第二次超弦理论革命的时候。

实际上，超弦理论有5个类别：I型、IIA型、IIB型，以及两种杂化弦理论。爱德华·威滕博士认为，这些不同的类别其实是同一个理论的不同侧面，也就是说，5个理论的本质上是相同的。从此，人们开始能够大略地了解到超弦理论的全貌，这个研究领域一下子被激活了。

威滕博士进一步认为，在这5个理论之上，还应该存在着一个“真正的终极理论”，这个假想的理论就被称为“M理论”。比起过去的超弦理论，M理论还要多出一个维度，是个11维的理论（空间10维+时间1维）。

但现在，连M理论的基本内容都说不清楚，不知道是否真的能成为“真正的终极理论”。在专家看来，现在对于“超弦理论”这个词的使用，已经普遍超出了上述5种超弦理论以及M理论的范围了。

虽然超弦理论有着如此长的研究历史，但到现在为止，也还没有完成。那么，这个课题在今后将会如何发展？

实际到现在为止，超弦理论都还只有一些近似计算。不用近似的计算方法虽然也被提出了很多，但还处于研究阶段。

专家认为，找到超弦理论的“原理”是非常必要的。比如说，作为引力理论的广义相对论中有“等价原理”，比如电梯刚刚开始上升时，能够感觉到体重也稍稍有些增加，这就是所谓“惯性力”。

爱因斯坦主张，惯性力与引力是同一种东西（等价的），这就是等价原理。他也正是使用了这个原理，构建出了广义相对论。

但类似这样的原理，在超弦理论中还没有。反过来说，如果找到了这个原理，就有可能向着理论的最终完成迈出决定性的一步。

（本文发表于《科学世界》2013年第3期）