20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
弦理論起源於20世紀60年代物理學上的粒子物理時期,當時關於強相互作用的一系列實驗表明存在許許多多的強子,隨著能量的增大,它們的質量與自旋度越來越大,越來越高。這些粒子絕大多數處於不穩定狀態,這種狀態叫作共振態。當大量的粒子參與強相互作用時,共振態粒子與粒子散射振幅滿足一種奇特的性質,叫作對偶性。當時許多物理學家都在尋找描述強相互作用粒子相互作用的數學函數。1968年,一個在麻省理工學院工作的意大利物理學家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數學手冊,發現一個簡單的函數———歐拉貝函數,它滿足這種對偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀數學家歐拉建立的數學函數。但當時還沒有粒子物理實驗完全滿足這個公式,然而很快人們發現這個簡單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學家把這個公式用於描述粒子與粒子散射振幅的理論稱之為弦理論。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個物理理論形成的經典過程是從實驗到理論。
20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
弦理論起源於20世紀60年代物理學上的粒子物理時期,當時關於強相互作用的一系列實驗表明存在許許多多的強子,隨著能量的增大,它們的質量與自旋度越來越大,越來越高。這些粒子絕大多數處於不穩定狀態,這種狀態叫作共振態。當大量的粒子參與強相互作用時,共振態粒子與粒子散射振幅滿足一種奇特的性質,叫作對偶性。當時許多物理學家都在尋找描述強相互作用粒子相互作用的數學函數。1968年,一個在麻省理工學院工作的意大利物理學家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數學手冊,發現一個簡單的函數———歐拉貝函數,它滿足這種對偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀數學家歐拉建立的數學函數。但當時還沒有粒子物理實驗完全滿足這個公式,然而很快人們發現這個簡單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學家把這個公式用於描述粒子與粒子散射振幅的理論稱之為弦理論。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個物理理論形成的經典過程是從實驗到理論。
20世紀的物理學是建構在其上半葉完成的兩根支柱上的:一根是狹義相對論和廣義相對論,另一根是量子力學。經過人們的努力,量子力學與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。量子場論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系統要麼利用量子場論,要麼求助於廣義相對論,不會交叉動用這兩個不同的理論體系。但是,的確存在一些極端物理情景既涉及巨質量(需要廣義相對論)又牽連極小距離尺度(需要量子場論),典型的例子就是所謂的時空奇異問題,包括黑洞的中心點、大爆炸前的宇宙狀態等。這類體系的正確理解必須建立在一個廣義相對論與量子場論相互協調的框架,換句話說就是需要量子引力理論。於是,有人試圖把量子力學應用到引力場中去,來建構量子引力場論。
20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
弦理論起源於20世紀60年代物理學上的粒子物理時期,當時關於強相互作用的一系列實驗表明存在許許多多的強子,隨著能量的增大,它們的質量與自旋度越來越大,越來越高。這些粒子絕大多數處於不穩定狀態,這種狀態叫作共振態。當大量的粒子參與強相互作用時,共振態粒子與粒子散射振幅滿足一種奇特的性質,叫作對偶性。當時許多物理學家都在尋找描述強相互作用粒子相互作用的數學函數。1968年,一個在麻省理工學院工作的意大利物理學家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數學手冊,發現一個簡單的函數———歐拉貝函數,它滿足這種對偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀數學家歐拉建立的數學函數。但當時還沒有粒子物理實驗完全滿足這個公式,然而很快人們發現這個簡單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學家把這個公式用於描述粒子與粒子散射振幅的理論稱之為弦理論。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個物理理論形成的經典過程是從實驗到理論。
20世紀的物理學是建構在其上半葉完成的兩根支柱上的:一根是狹義相對論和廣義相對論,另一根是量子力學。經過人們的努力,量子力學與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。量子場論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系統要麼利用量子場論,要麼求助於廣義相對論,不會交叉動用這兩個不同的理論體系。但是,的確存在一些極端物理情景既涉及巨質量(需要廣義相對論)又牽連極小距離尺度(需要量子場論),典型的例子就是所謂的時空奇異問題,包括黑洞的中心點、大爆炸前的宇宙狀態等。這類體系的正確理解必須建立在一個廣義相對論與量子場論相互協調的框架,換句話說就是需要量子引力理論。於是,有人試圖把量子力學應用到引力場中去,來建構量子引力場論。
在量子場論中緊化圈問題可以通過一種簡單的系統的數學程序———重正化的方法解決,從而得到有意義的答案。不幸的是這個方法不適用於量子引力場論,在量子引力場論中,緊化非常困難,緊化通常會在物理計算過程中產生無限多的無意義答案。
解決這個危機,構造新的理論的方案主要有五種:
(1) 協變微擾方案;
(2) 歐幾里德化量子場論方案;
(3) 正則量子化方案;
(4) 超弦理論(即弦理論);
(5) 離散量子化方案。
在這些方案中除了超弦理論很有前途外,其它四種都很難取得進展，從而弦理論可能是統一所有相互作用的理論。
20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
弦理論起源於20世紀60年代物理學上的粒子物理時期,當時關於強相互作用的一系列實驗表明存在許許多多的強子,隨著能量的增大,它們的質量與自旋度越來越大,越來越高。這些粒子絕大多數處於不穩定狀態,這種狀態叫作共振態。當大量的粒子參與強相互作用時,共振態粒子與粒子散射振幅滿足一種奇特的性質,叫作對偶性。當時許多物理學家都在尋找描述強相互作用粒子相互作用的數學函數。1968年,一個在麻省理工學院工作的意大利物理學家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數學手冊,發現一個簡單的函數———歐拉貝函數,它滿足這種對偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀數學家歐拉建立的數學函數。但當時還沒有粒子物理實驗完全滿足這個公式,然而很快人們發現這個簡單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學家把這個公式用於描述粒子與粒子散射振幅的理論稱之為弦理論。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個物理理論形成的經典過程是從實驗到理論。
20世紀的物理學是建構在其上半葉完成的兩根支柱上的:一根是狹義相對論和廣義相對論,另一根是量子力學。經過人們的努力,量子力學與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。量子場論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系統要麼利用量子場論,要麼求助於廣義相對論,不會交叉動用這兩個不同的理論體系。但是,的確存在一些極端物理情景既涉及巨質量(需要廣義相對論)又牽連極小距離尺度(需要量子場論),典型的例子就是所謂的時空奇異問題,包括黑洞的中心點、大爆炸前的宇宙狀態等。這類體系的正確理解必須建立在一個廣義相對論與量子場論相互協調的框架,換句話說就是需要量子引力理論。於是,有人試圖把量子力學應用到引力場中去,來建構量子引力場論。
在量子場論中緊化圈問題可以通過一種簡單的系統的數學程序———重正化的方法解決,從而得到有意義的答案。不幸的是這個方法不適用於量子引力場論,在量子引力場論中,緊化非常困難,緊化通常會在物理計算過程中產生無限多的無意義答案。
解決這個危機,構造新的理論的方案主要有五種:
(1) 協變微擾方案;
(2) 歐幾里德化量子場論方案;
(3) 正則量子化方案;
(4) 超弦理論(即弦理論);
(5) 離散量子化方案。
在這些方案中除了超弦理論很有前途外,其它四種都很難取得進展，從而弦理論可能是統一所有相互作用的理論。
1984-1985年,弦理論發生第一次革命,其核心是發現“反常自由”的統一理論,超弦理論是唯一自恰的量子引力理論,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革命的洪流中去了。超弦第一次革命差不多在一年時間裡就已完成,其影響卻遠遠超過一年,此後若干年所圍繞發展的幾個問題和重要概念都在這一年之間已被提出。
20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
弦理論起源於20世紀60年代物理學上的粒子物理時期,當時關於強相互作用的一系列實驗表明存在許許多多的強子,隨著能量的增大,它們的質量與自旋度越來越大,越來越高。這些粒子絕大多數處於不穩定狀態,這種狀態叫作共振態。當大量的粒子參與強相互作用時,共振態粒子與粒子散射振幅滿足一種奇特的性質,叫作對偶性。當時許多物理學家都在尋找描述強相互作用粒子相互作用的數學函數。1968年,一個在麻省理工學院工作的意大利物理學家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數學手冊,發現一個簡單的函數———歐拉貝函數,它滿足這種對偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀數學家歐拉建立的數學函數。但當時還沒有粒子物理實驗完全滿足這個公式,然而很快人們發現這個簡單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學家把這個公式用於描述粒子與粒子散射振幅的理論稱之為弦理論。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個物理理論形成的經典過程是從實驗到理論。
20世紀的物理學是建構在其上半葉完成的兩根支柱上的:一根是狹義相對論和廣義相對論,另一根是量子力學。經過人們的努力,量子力學與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。量子場論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系統要麼利用量子場論,要麼求助於廣義相對論,不會交叉動用這兩個不同的理論體系。但是,的確存在一些極端物理情景既涉及巨質量(需要廣義相對論)又牽連極小距離尺度(需要量子場論),典型的例子就是所謂的時空奇異問題,包括黑洞的中心點、大爆炸前的宇宙狀態等。這類體系的正確理解必須建立在一個廣義相對論與量子場論相互協調的框架,換句話說就是需要量子引力理論。於是,有人試圖把量子力學應用到引力場中去,來建構量子引力場論。
在量子場論中緊化圈問題可以通過一種簡單的系統的數學程序———重正化的方法解決,從而得到有意義的答案。不幸的是這個方法不適用於量子引力場論,在量子引力場論中,緊化非常困難,緊化通常會在物理計算過程中產生無限多的無意義答案。
解決這個危機,構造新的理論的方案主要有五種:
(1) 協變微擾方案;
(2) 歐幾里德化量子場論方案;
(3) 正則量子化方案;
(4) 超弦理論(即弦理論);
(5) 離散量子化方案。
在這些方案中除了超弦理論很有前途外,其它四種都很難取得進展，從而弦理論可能是統一所有相互作用的理論。
1984-1985年,弦理論發生第一次革命,其核心是發現“反常自由”的統一理論,超弦理論是唯一自恰的量子引力理論,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革命的洪流中去了。超弦第一次革命差不多在一年時間裡就已完成,其影響卻遠遠超過一年,此後若干年所圍繞發展的幾個問題和重要概念都在這一年之間已被提出。
1994年在美國南加州大學的超弦年會上,美國年輕的物理學家威頓系統地報告了弦論中關於各種對偶性的工作成果,接著塞伯格報告了關於不同超對稱規範理論之間的對偶性,史瓦茲報告了與森的合作的新工作。他們的報告震動了理論物理學界和數學界,弦理論的第二次革命就這樣爆發了,威頓和英國人胡耳和湯生用各種不同維數的膜來研究對偶性,革命性指出10維的超弦在強耦合極限下成為一種11維的理論,10維中的弦無非是其中1維繞在第11維上的膜,史瓦茲根據威頓的建議將這個11維理論叫作M-理論。M理論對5種超弦理論和十一維超引力理論的統一無疑又是一次成功的革命，但同時也向人們提出了更大的挑戰。
20世紀上半葉物理學發生了兩次重要科學革命:相對論和量子力學。20世紀60年代末發現的弦理論經歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學革命後,由最初少數人知曉的弦理論而發展成為今天廣泛關注的理論,並被譽為20世紀末的第三次物理學革命。它將從根本上解決量子場論中的無窮大、粒子物理標準模型中的夸克禁閉和任意參數過多等一系列問題,從而有可能完成愛因斯坦花費三十多年心血而未能實現的物理學的大統一理論。
弦理論起源於20世紀60年代物理學上的粒子物理時期,當時關於強相互作用的一系列實驗表明存在許許多多的強子,隨著能量的增大,它們的質量與自旋度越來越大,越來越高。這些粒子絕大多數處於不穩定狀態,這種狀態叫作共振態。當大量的粒子參與強相互作用時,共振態粒子與粒子散射振幅滿足一種奇特的性質,叫作對偶性。當時許多物理學家都在尋找描述強相互作用粒子相互作用的數學函數。1968年,一個在麻省理工學院工作的意大利物理學家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數學手冊,發現一個簡單的函數———歐拉貝函數,它滿足這種對偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀數學家歐拉建立的數學函數。但當時還沒有粒子物理實驗完全滿足這個公式,然而很快人們發現這個簡單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學家把這個公式用於描述粒子與粒子散射振幅的理論稱之為弦理論。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個物理理論形成的經典過程是從實驗到理論。
20世紀的物理學是建構在其上半葉完成的兩根支柱上的:一根是狹義相對論和廣義相對論,另一根是量子力學。經過人們的努力,量子力學與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。量子場論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系統要麼利用量子場論,要麼求助於廣義相對論,不會交叉動用這兩個不同的理論體系。但是,的確存在一些極端物理情景既涉及巨質量(需要廣義相對論)又牽連極小距離尺度(需要量子場論),典型的例子就是所謂的時空奇異問題,包括黑洞的中心點、大爆炸前的宇宙狀態等。這類體系的正確理解必須建立在一個廣義相對論與量子場論相互協調的框架,換句話說就是需要量子引力理論。於是,有人試圖把量子力學應用到引力場中去,來建構量子引力場論。
在量子場論中緊化圈問題可以通過一種簡單的系統的數學程序———重正化的方法解決,從而得到有意義的答案。不幸的是這個方法不適用於量子引力場論,在量子引力場論中,緊化非常困難,緊化通常會在物理計算過程中產生無限多的無意義答案。
解決這個危機,構造新的理論的方案主要有五種:
(1) 協變微擾方案;
(2) 歐幾里德化量子場論方案;
(3) 正則量子化方案;
(4) 超弦理論(即弦理論);
(5) 離散量子化方案。
在這些方案中除了超弦理論很有前途外,其它四種都很難取得進展，從而弦理論可能是統一所有相互作用的理論。
1984-1985年,弦理論發生第一次革命,其核心是發現“反常自由”的統一理論,超弦理論是唯一自恰的量子引力理論,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革命的洪流中去了。超弦第一次革命差不多在一年時間裡就已完成,其影響卻遠遠超過一年,此後若干年所圍繞發展的幾個問題和重要概念都在這一年之間已被提出。
1994年在美國南加州大學的超弦年會上,美國年輕的物理學家威頓系統地報告了弦論中關於各種對偶性的工作成果,接著塞伯格報告了關於不同超對稱規範理論之間的對偶性,史瓦茲報告了與森的合作的新工作。他們的報告震動了理論物理學界和數學界,弦理論的第二次革命就這樣爆發了,威頓和英國人胡耳和湯生用各種不同維數的膜來研究對偶性,革命性指出10維的超弦在強耦合極限下成為一種11維的理論,10維中的弦無非是其中1維繞在第11維上的膜,史瓦茲根據威頓的建議將這個11維理論叫作M-理論。M理論對5種超弦理論和十一維超引力理論的統一無疑又是一次成功的革命，但同時也向人們提出了更大的挑戰。
我們仍沒有完全解決強相互作用的問題,也沒有解決四種相互作用力的統一問題,因此對M理論和超弦理論的研究仍是一個長期和非常困難的問題。正如威頓所說:“我們尚需要幾次規模更大的類似目前這樣的革命。如果在未來10年內能夠處理一場範圍更大的弦理論革命,我相信我們將會做得更圓滿!”