超弦理論怎樣解釋黑洞的輻射和內部行為

時間 2021-10-16 06:05:40

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超弦理論是物理學家追求統一理論的最自然的結果。愛因斯坦建立相對論之後自然地想到要統一當時公知的兩種相互作用--萬有引力和電磁力。他花費了後半生近40年的主要精力去尋求和建立一個統一理論,但沒有成功。

現在回過頭來看歷史,愛因斯坦的失敗並不奇怪。實際上自然界還存在另外兩種相互作用力--弱力和強力。現在已經知道,自然界中總共4種相互作用力除有引力之外的3種都可有量子理論來描述,電磁、弱和強相互作用力的形成是用假設相互交換「量子」來解釋的。

但是,引力的形成完全是另一回事,愛因斯坦的廣義相對論是用物質影響空間的幾何性質來解釋引力的。在這一影象中,瀰漫在空間中的物質使空間彎曲了,而彎曲的空間決定粒子的運動。人們也可以模仿解釋電磁力的方法來解釋引力,這時物質交換的「量子」稱為引力子,但這一嘗試卻遇到了原則上的困難--量子化後的廣義相對論是不可重整的,因此,量子化和廣義相對論是相互不自洽的。

超弦理論是人們拋棄了基本粒子是點粒子的假設而代之以基本粒子是一維弦的假設而建立起來的自洽的理論,自然界中的各種不同粒子都是一維弦的不同振動模式。與以往量子場論和規範理論不同的是,超弦理論要求引力存在,也要求規範原理和超對稱。毫無疑問,將引力和其他由規範場引起的相互作用力自然地統一起來是超弦理論最吸引人的特點之一。

因此,從2023年底開始,當人們認識到超弦理論可以給出一個包容標準模型的統一理論之後,一大批才華橫溢的年輕人自然地投身到超弦理論的研究中去了。

經過人們的研究發現,在十維空間中,實際上有5種自洽的超弦理論,它們分別是兩個iia和iib,一個規範為apin(32)/z2的雜化弦理論,一個規範群為e8×e8的雜化弦理論和一個規範為so(32)的i型弦理論。對一個統一理論來說,5種可能性還是稍嫌多了一些。因此,過去一直有一些從更一般的理論匯出這些超弦理論的嘗試,但直到2023年人們才得到一個比較完美的關於這5種超弦理論統一的影象。

這一影象可以有用上圖來表示。存在一個唯一的理論,姑且稱其為m理論。m理論有一個很大的模空間(各種可能的真空構成的空間)。

5種已知的超弦理論和十一維超引力都是m理論的某些極限區域或是模空間的邊界點(圖中的尖點)。有關超弦對偶性的研究告訴我們,沒有模空間中的哪一區域是有別於其他區域而顯得更為重要和基本的,每一區域都僅僅是能較好地描述m理論的一部分性質。但是,在將這些不同的描述自洽地柔合起來的過程中我閃也學到了對偶性和m理論的許多奇妙性質,尤其是各種d-膜相互轉換的性質。

在此我們不得不提到超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射,這是第一次從微觀理論出發,利用統計物理和量子力學的基本原理,嚴格了匯出了巨集觀物體黑洞的熵和輻射公式,毫無疑問地確立了超弦理論是一個關於引力和其他相互作用力的正確理論。

將5種超弦理論和十一維超引力統一到m理論無疑是成功的,但同是也向人們提出了更大的挑戰。m理論在提出時並沒有一個嚴格的數學表述,因此尋找m理論的數學表述和仔細研究m理論的性質就成了這一時期理論物理研究熱點。

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