11.弦论简史（五）

彼得·沃特  著

左 芬   译

第二次超弦理论革命

到了1990年代早期，人们对超弦理论的兴趣开始衰退。当时已知存在五种自洽的弦论：

· SO(32) I型理论，其反常相消发现于1984年。

· II型理论的两个变体。

· 杂化弦理论，具有两套E_8对称性。

· 杂化弦理论的变体，具有SO(32)对称性。

因为诸多技术原因，人们认为E_8杂化弦是探讨下去最有前景的理论，于是很多工作致力于对它的研究。在1995年3月南加州大学举办的一次弦论会议的一个演讲中，威滕公布了关于这五种理论如何互相关联的一系列引人瞩目的猜想。他描述了过去几年里积累下来的这五种理论之间存在各种各样对偶性关系的迹象。他还给出了弦理论与11维超引力理论之间存在某种对偶性关系的迹象。回忆一下，超引力是以爱因斯坦广义相对论的一种超对称版本为基础的一种量子场论。作为一种量子场论，它被发现存在重整性问题，而且11维是它能够被自洽地构建出来的最高时空维度。早在1983年的时候，威滕已经说明过，如果尝试把它当做一种统一理论，通过假定11维当中的7维是很小的，会在得出弱相互作用的左右手不对称性方面具有内在的问题。

威滕的新猜想网络的一个核心部分是猜想一种新的11维超对称理论的存在。它被认为是这样一种理论，它的低能极限是超引力，但在高能下包含量子场不能描述的新物体。为了具备满足他的猜想的正确性质，它包含的不是一维弦，而是两维和五维的p-膜。这儿的“p”是某个非负整数，而一个p-膜是一个能在11维空间中运动的p-维子空间。一根弦是一个1-膜，而一个2-膜是一个在11维空间中四处运动的两维表面。你可以把这样的一个两维表面想象为一张薄膜，而这就是膜这一术语的起源。

从弦理论的早期开始，一些物理学家就探讨过薄膜理论的可能性，也就是基本物体的维度比弦的一维更高的理论。通过类比弦理论去定义这类理论的尝试不是很成功，并且导致了至今似乎仍无法解决的技术问题。因此威滕猜想存在的11维理论不能直接通过弦理论的类比而构建出来，而只能寄希望于一种全新的理论，它因为某种未知的原因得以描述2-膜和5-膜。威滕将这一假想理论称为M-理论，并解释说“M 代表着魔力（Magic），秘密（Mystery）或者膜（Membrane），依个人口味而定。” (Witten, 1998)自从1995年开始，人们投入了大量的精力试图去弄清M-理论究竟为何物，但没收到多少成效。最成功的尝试利用了无穷维的矩阵，于是矩阵理论（Matrix Theory）也提供了 M 应该代表的含义的又一个版本。矩阵理论表述仅对11维几何的某些特殊选择有效，特别地，它在物理上相关的情形，即11维中4维很大，而另7维非常小时无法运作。

威滕1995年最宏伟的猜想是存在一种单一的根本理论，她在六种不同的特殊极限情形下分别约化到五种已知的弦理论和未知的 M-理论。这一几乎完全未知的广泛理论通常也被称为 M-理论，于是 M 的又一种解释是母亲（Mother），因为她代表着“所有理论之母”。格拉肖在关于弦理论的一档新星电视系列节目(Glashow, 2003)中开玩笑地说“M”其实是威滕（Witten）中的“W”的倒写。在同一档电视秀中威滕说道

有些玩世不恭者时不时地会暗示 M 也可能代表着“朦胧”（Murky），因为我们对这一理论的认知层次，说实话，是如此之原始。也许我不应该告诉你这一个。

目前我们甚至没有关于这一理论确切是什么的任何提议。存在一种M-理论的广泛猜想和关于对偶性的更具体的猜想的阐述激发了许多物理学家的大量工作。在这一过程中，1995年有时会被称为“第二次超弦理论革命”时期。从此时起，超弦理论这个名字变得有点像一个误称，因为这一领域的人们现在觉得他们在研究一个庞大的理论的一些片段，而理论中除了弦以外，还包含更高维的 p-膜。除了 M-理论这个名字，她有时也被叫做“以前被称为弦的理论”。

Bibliography

Glashow, S. (2003). interview in Nova special The Elegant Universe. Public Broadcasting Service.

Witten, E. (1998). Magic, Mystery, and Matrix. Notices of the AMS, 45, 1124-1129.