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弦理论的创始人之一，畅销科普书《平行宇宙》作家，加来道雄教授为我们权威解读“超弦理论”。作者分析了超弦理论的诞生、定义以及它的重要意义。这项革命性的突破极可能将爱因斯坦的毕生梦想“万物理论”变为现实。

《超弦论》核心论点：统一场论与量子力学的矛盾？牛顿的引力理论如何被超弦理论统一？

超弦理论解决了S矩阵理论和量子场论存在的对立。

超弦理论解决了GUT的烦恼，弦的存在解决了增殖夸克问题。

时间之初，温度极高，那时的宇宙超对称。

如果原始恒星足够大，大重力将导致中子相互挤压，*终挤压至一个无穷小的点——黑洞的权威解释。 超弦理论能计算广义相对论的量子修正，得出虫洞(爱因斯坦-罗森桥)解，实现维度旅行。

超弦理论预测宇宙灾难——如存在一个能量状态更低的宇宙，发生量子跃迁，所有已知物理定律将完全改变(物质总试图寻找能量更低的状态)。

超弦理论解释了大爆炸之前发生了什么——十维宇宙破裂为更低能级宇宙，四维宇宙(膨胀)和六维宇宙(卷曲)。

超弦理论结合量子力学解释了困扰爱因斯坦30年的难题——第五维度为何卷曲，而其他维度可延伸至无穷远(高维卷曲问题)。

超弦理论带领我们理解高维——高维生物可容易地可视化低维对象，低维生物只能看见高维对象的截面或阴影。

麦克斯韦将电和磁统一为电磁力，超弦理论实现了强力、弱力、电磁力、引力的全统一。

目录

000 □致谢

000 □引言

000 □部分 宇宙理论

000 □1 超弦：万物理论

000 □2 寻求统一

000 □3 量子谜题

000 □4 无穷大之谜

000 □5 寻找顶夸克

000 □第二部分 超对称和超弦

000 □6 超弦理论的诞生

000 □7 对称性：缺失的一个环节

000 □8 超对称

000 □第三部分 超出四维

000 □9 大爆炸之前

000 □10 暗物质的神秘

000 □11 宇宙弦

000 □12 通往另一个维度的旅程

000 □13 回到未来

000 □14 超越爱因斯坦

加来道雄，美籍日裔物理学家。加来道雄毕业于美国哈佛大学，并获得了伯克利加利福尼亚大学的博士学位。目前为纽约城市大学理论物理学教授，曾任普林斯顿大学高等研究院和纽约大学客座教授。他是弦理论创始人之一，著有畅销科普书《平行宇宙》《超空间》《物理学的未来》《心灵的未来》等。他主持过BBC多档电视科普特别节目，长期主持美国国家科学广播节目。文章刊载于《华尔街日报》《时代周刊》《科学美国人》等，目前是哥伦比亚广播公司电视节目科学内容撰稿人。

詹妮弗·汤普森，美国物理学家，他与加来道雄曾合著过畅销科普书《核能》。

伍义生，原中国科学院力学研究所研究员。荷兰代尔夫特理工大学、德国宇航研究院材料所、澳大利亚悉尼大学客座教授。中国科学院翻译协会理事、中国翻译协会资深翻译。译著《平行宇宙》《超空间》《超弦论》《物理学的未来》《心灵的未来》《量子宇宙》《终极理论》《玻尔与爱因斯坦大论战》。

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多年来，物理学家一直对这种可能性感兴趣一宇宙来自于从无到有的量子跃迁（没有物质或能量的纯空间-时间）。

从纯粹的时一空创造万物的想法非常古老，可追溯到第二次世界大战时期。物理学家乔治·伽莫夫在自传《我的世界线》中讲述了自己首次向爱因斯坦提交这个理论的情况。一次，伽莫夫和爱因斯坦一起在普林斯顿街上散步。伽莫夫提到了量子物理学家派斯卡·乔丹（PascualJordan）的思想，“一颗恒星，由于有质量，故而具有能量。然而，如果我们计算锁定于重力场内的能量时，会发现它是负值。该系统的总能量或许是零。”

乔丹认为，由于恒星能量为零，所以在它凭空产生时并未违背能量守恒。当伽莫夫向爱因斯坦提到这种可能性时，伽莫夫回忆，“爱因斯坦停下了脚步，因为我们正过着马路，几辆车不得不停下来以避免撞到我们。”

1973年，纽约亨特学院的埃德·特里恩（Ed Tryon）提出了独立于这些早期的有关星星的理论

一也许，整个宇宙是从纯空间一时间创造出来的。再次，凭经验，似乎宇宙的总能量应该接近于零。特里恩认为，宇宙或许是被“真空波动”创造的，一种随机的从真空到完全成熟宇宙的量子跃迁。

正如我们之前看到的，超弦理论预测，我们的字宙起源于一个十维字宙，它不稳定并猛烈收缩至四维空间，这个灾难性的事件创造了最初的大爆炸。然而，如果“从无到万物”的理论被证明是正确的，它意味着最初的十维字宙或许是从零能量开始的。

目前，超弦理论家无法在数学上计算十维字宙断裂为四维的精确机制。涉及的数学超出了大多数物理学家的能力，因为该问题涉及了复杂的量子力学效应。事实上，这个问题在数学上有明确的定义，因此，求解它只是时间问题。未来，当十维宇宙分裂为四维空间的动力学被理解，最初的十维字宙储存的能量将能得到计算。如果我们通过计算得出十维字宙的能量最初为零，将成为“从无到万物”理论的有力支持。

首先，该理论预测了太多的粒子。这个理论有像“引力子”（引力的量子包）和光子（光包）一样的粒子。事实上，闭合弦的最低振动对应于重力，开放弦的最低振动对应于光子。

对于一个描述强相互作用而不是重力或电磁作用的理论，这是灾难性的。在强相互作用理论中，引力子和光子有什么作用？（事实上，这是一种变相的幸事，但当时的人们并未认识到。在弦理论中，引力和光的相互作用正是形成统一场论的必需。）

其次，这个理论似乎预测了“超光速粒子（tachyons）”的存在，是比光速更快的粒子。这些粒子是不可取的，因为它们暗示违背因果关系

也就是说，回到过去，遇见生你之前的母亲。

第三，也是最具破坏性的，物理学家很快发现，最初的南布理论仅在二十六维上是自洽的。（对任何理论来说，不一致就接近死亡。例如，如果一个理论不一致，它最终会做出荒谬的预测，例如，1+1=3。）

欧洲核子研究中心的克劳德·洛夫莱斯（Claude Lovelace）首先发现了在二十六维似乎有更好的数学结构的弦模型。然后是麻省理工学院Richard Brower）Charles Thorn）等人提出，除非该理论能在二十六维定义，否则该模型将崩溃。很快，物理学家发现弦理论模型只在十维自洽。

对大多数物理学家来说，十维实在太多了。对于习惯了四维思考的科学家来说，这个理论更像科幻小说，而非真正的科学。结果，超弦理论在1974年失宠了。许多物理学家（包括加来道雄）不情愿地抛弃了这个模型。

这些理论最终都违反了一些物理原理，比如，相对论（如果斑点在某点被摇动，振动会以比光还快的速度穿过斑点）。

南布的开创性想法是，假设强子由振动弦构成，每种振动模式对应于一个独立的粒子。（超弦理论不会违反相对论，因为沿着弦的振动，传播速度只能小于或等于光速。）

想想，与小提琴弦的类比。这么说吧，我们得到了一个产生音乐音调的神秘盒子。如果我们对音乐一无所知，会首先尝试将音调编目，给它们起名字，如C、F、G等。我们的第二个策略是，发现这些音调之间的关系，例如可观察到它们以八度为一组出现。从这里，我们能发现和谐的法则。最后，我们会努力假设一个“模型”，用一个单一的原理解释和声和音阶，如一根振动的小提琴弦。同样，南布相信，威尼斯诺和铃木发现的贝塔函数可以用振动弦来解释。

很快，有人提出了更复杂的理论，与数据符合更好的理论。在普林斯顿大学工作的约翰·施瓦茨（John Schwarz）和法国物理学家安德烈·内沃（Andre Neveu），以及在芝加哥附近的国家加速器实验室工作的皮埃尔·雷蒙（Pierre Ramond）提出了一个理论，其中包括带有“旋转”的粒子（最终成为超弦理论）。

几千年来，人们一直认为粒子和波是不同的实体。然而，至本世纪初，这种区别崩溃了。普朗克和爱因斯坦不仅展示了光（波）有明确的粒子状特性，电子实验也显示粒子呈现出波状特征。

1923年，一位年轻的法国王子和物理学研究生，路易·德布罗意（Louis de Broglie）写了一个“物质波”应该服从的基本关系，说明电子应像光波一样有一个确定的频率和波长。

然而，威尼斯物理学家欧文·薛定谔在1926年走出了决定性的一步。薛定谔被德布罗意写下的方程所鼓舞，写下了这些波应服从的完整的方程（称薛定灣波动方程），这是一个几乎由海森堡同时写下的不同形式的理论。从此，普朗克、爱因斯坦和玻尔的旧的量子理论转变成成熟的薛定灣和海森堡的成熟的量子力学。

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超弦理论——终极宇宙理论？

超弦理论，统一相对论和量子论，统一四种基本力！

“超弦论”，“超弦理论”简写，弦理论之一，一种引入了超对称的弦论。

超弦理论，用弦的分裂和结合以及超对称性，回答爱因斯坦的困惑，解决相对论与量子论的矛盾，解释自然界的一切力的统一，即终极宇宙理论。

《超弦论》为著名理论物理学家，弦理论创始人，科普作家，加来道雄撰写。作者论述了超弦理论的诞生、发展以及理论构架，解释了它为何能成为量子理论和广义相对论之后的革命性理论。

作者提出了超力、超对称、宇宙弦的概念。大爆炸之前，高温环境下的超力统一了宇宙四种基本力，且当时的宇宙超对称，这也是超弦理论的*属性。同时，作者用宇宙弦的概念解释了大爆炸之后，星系如何聚集成巨大的星系团，并在大爆炸后的30万年时间以外推或内吸的方式让物质聚集，形成了不规则的不均匀的今日的宇宙。

理解超弦理论，必须先理解弦与超弦。为解决这个问题，作者为我们详细解释了高维概念，即额外的维度，第五维以及更高维。作者用平实的语言、清晰的线条图、易懂的案例，为读者勾勒出了高维景象，畅想了维度旅行、镜像宇宙的可能，为平行宇宙理论打下了物理基础。

综上，该书是一部学术性较高的科普作品，也是一部易于读者阅读的科普作品，值得热爱科学的读者阅读。

媒体评论

Advance Praise for

Beyond Einstein

《超弦论》一书的发行评语

 他知道如何使科学变得有趣。

——《费城询问报》（

The Philadelphia Inquirer

） 

    加来道雄对超弦理论原理的探索清晰且生动，像史蒂芬·霍金那样发人深省。

——《科克斯书评》（

Kirkus Reviews

）

加来道雄凭借自己清醒且耐心的风格，用诀窍将*空灵的想法付诸实践。

——《华尔街日报》（

The Wall Street Journal

） 

他的科学观点超出了这个世界。

——《洛杉矶时报》（

Los Angeles Times

）

前言

引言

加来道雄撰写本书的想法应追溯到20世纪50年代，那时，他还是一个在加利福利亚成长的孩子，次听到统一场论。

   加来道雄在小学4年级时，听到一位名为阿尔伯特·爱因斯坦的伟大科学家去世的消息。他知道，爱因斯坦一生中发现了很多伟大的东西使他获得了世界赞誉，但直至死前也仍未能完成他的伟大著作。加来道雄被这个故事迷住了。

   这个孩子推理，如果爱因斯坦果真如此伟大，那么，他未完成的工作一定很棒——那一定是他杰出的职业生涯中的成就。

加来道雄出于好奇，梳理了帕洛阿尔托图书馆，试图发现更多与统一场论相关的信息，但他未找到任何书籍或者关于这个主题的文章。他找到了一些与量子力学相关的大学课本，但8岁的加来道雄几乎不能理解。此外，那些课本也并未提及统一场论。

于是，加来道雄找了他的老师，老师并未给他答案。后来，他遇到物理学家，当他问及爱因斯坦后的这个理论时，对方也只是耸耸肩膀。多数物理学家认为，相信那个人能联合宇宙中的四种力还为时过早，或者是自以为是。

几年后，当加来道雄研究弦理论时（作为一种强相互作用理论提出），他也心存疑虑，认为对统一场论的探索也许只是一场疯狂的追逐。20世纪70年代，物理学家约翰·施瓦茨（John Schwarz）和乔尔·舍尔克（Joel Scherk）提出这种弦理论的一个复杂版本也许是传说中的爱因斯坦和其他物理学家未曾想到到的统一场论的观点时，没有一位物理学家认真考虑。

后， 1984年，该理论似乎取得了戏剧性的突破，似乎解决了问题。就像施瓦茨和舍尔克早在几年前的预测，“超弦”似乎是统一场论合适的（也是的）候选理论。

   尽管该理论的细节仍在研究中，但很明显这个发现将动摇物理世界。加来道雄和詹妮弗·汤普森已合著了《核能：两个方面》一书，双方的再次合作似乎很自然，并回答了30年前就让加来道雄着迷的问题——什么是统一场论？

   我们共同努力撰写本书，作为对好奇外行的一个指南。我们想写一本涵盖“超弦革命”的书，其洞察力和范围通常只有内行人士才能提供，并以生动的和富有有益信息的方式呈现主题。我们认为，一个理论物理学家与一名作家的综合经验，将使这方面做得更好。

我们想提供物理学世界更全面的信息，在过去300年的科学背景下展示超弦理论。许多书论述了现代物理学的一个方面（无论是相对论、量子力学还是宇宙学），但却忽略了更大范围的物理学。《超弦论》则不同，我们关注的绝非孤立的研究领域，而是物理的整个范围，指出每个特定的理论在整个物理学的位置。统一场论与量子力学有什么关系？牛顿的引力理论如何用于超弦理论？你可以在《超弦论》一书找到这些问题的答案。

  本书，我们强调了超弦理论如何给出一个物质的统一描述。我们重点关注亚原子粒子性质的多样性，如夸克、轻子、杨-米尔斯粒子、胶子……以及它们怎样被视为超弦的不同振动。加来道雄在另外一本作品《超空间》中还谈及于空间和时间的性质，特别是平行宇宙、时间扭曲的可能性和第十维度。

我们为物理学的新突破而激动，我们希望《超弦论》既权威又有趣。简言之，希望它成为加来道雄年轻时就喜欢读的一本书。

加来道雄，纽约，纽约州

詹妮弗·汤普森，威廉斯敦，马萨诸塞州

书籍介绍

弦理论的创始人之一，畅销科普书《平行宇宙》作家，加来道雄教授为我们权威解读“超弦理论”。作者分析了超弦理论的诞生、定义以及它的重要意义。这项革命性的突破极可能将爱因斯坦的毕生梦想“万物理论”变为现实。

《超弦论》核心论点：统一场论与量子力学的矛盾？牛顿的引力理论如何被超弦理论统一？

超弦理论解决了S矩阵理论和量子场论存在的对立。

超弦理论解决了GUT的烦恼，弦的存在解决了增殖夸克问题。

时间之初，温度极高，那时的宇宙超对称。

如果原始恒星足够大，大重力将导致中子相互挤压，*终挤压至一个无穷小的点——黑洞的权威解释。 超弦理论能计算广义相对论的量子修正，得出虫洞(爱因斯坦-罗森桥)解，实现维度旅行。

超弦理论预测宇宙灾难——如存在一个能量状态更低的宇宙，发生量子跃迁，所有已知物理定律将完全改变(物质总试图寻找能量更低的状态)。

超弦理论解释了大爆炸之前发生了什么——十维宇宙破裂为更低能级宇宙，四维宇宙(膨胀)和六维宇宙(卷曲)。

超弦理论结合量子力学解释了困扰爱因斯坦30年的难题——第五维度为何卷曲，而其他维度可延伸至无穷远(高维卷曲问题)。

超弦理论带领我们理解高维——高维生物可容易地可视化低维对象，低维生物只能看见高维对象的截面或阴影。

麦克斯韦将电和磁统一为电磁力，超弦理论实现了强力、弱力、电磁力、引力的全统一。