超弦理論

在上章說過大統一並不那麼成功,我就算強核力可以與弱電理論統一,那引力呢?引力似乎是最難被統一,而且我們也要理論把費米子與玻色子統一,找出一個包圍所有物事之全能理論(Theory of Everything / TOE).

物理學家一直認為自然界有對稱,例如虧子與輕子也是三族,又或正反粒子,CPT守衡等等.但物理界並不如我們所想般對稱,如CP不守衡,而最大之不對稱(asymmetry)是費米子及玻色子之自旋性,費米子要自旋兩個圈才可見回原本景象,而玻色子只需自旋一個圈.

物理學家建立了N=8的超對稱理論(Supersymmetry / SUSY)統一費米子與玻色子,那是認為這個宇宙除了四維之外,還有四維,這個八維宇宙叫超空間(superspace),然而這額外的四維不可被理解為時間抑或空間, 八維宇宙是由費米子居住,物質可透過自旋由四維空間轉入費米子居住之八維,又可由八維轉回四維,即玻色子可換成費米子,費米子可轉換成玻色子,它們沒有分別,我們之所以看到它們自旋不同只不過是我們局限於四維而看不到八維的一個假象.

我打個譬喻,妳在地球上只會感同到三維(上下前後左右),我們雖然知道時間之存在,然而我們眼睛看不到,眼睛只幫我們分析三維系統,然而有可能這個世界是八維,而因為眼睛只可分辨三維而妳無法得知.

科學家稱這些一對之粒子為超對稱伙伴(supersymmetric partner),如重力微子(gravitino),光微子(photino),膠微子(gluino),而費米子之伙伴叫超粒子 (sparticle),只不過是在費米子前面加一個s,如超電子(selectron).可是我們知道費米子無論怎樣轉也轉不出玻色子,亦沒有發現費米子或玻色子轉出來的超對稱伙伴,例如電子就不是由任何已知玻色子轉出來,假如每一玻色子或費米子都有其超對稱伙伴,世界上之粒子數將會是現在的兩倍.

有認為超對稱伙伴質量比原本粒子高很多倍,只存在於高能量狀態,我們處於安靜宇宙是不能夠被看見,只有在極稀有的情形下,超對稱伙伴會衰變成普通的費米子及玻色子,當然我們尚未探測到超對稱伙伴,否則就哄動囉!

然而在超對稱理論背後,弦理論(strange theory)正慢慢崛起,它也是為了統一費米子玻色子.弦理論認為這個世界無論玻色子抑或費米子都是由一樣東西－弦(string)所組成,弦就像一條繩子,不過事實上它們真的太小向前地,故它們形成粒狀的粒子

The string tension in string theory is denoted by the quantity 1/(2 p a'), where a' is pronounced "alpha prime"and is equal to the square of the string length scale.
String theories are classified according to whether or not the strings are required to be closed loops, and whether or not the particle spectrum includes fermions. In

　

起初物理學家認為閉弦理論必須是十維,因為只有十維的閉弦理論方可被重正則化 (Renormalization),重正則化是物理學家為解決量子電動力學中出現'無限'所用的一個巧妙手法,其中多個無限項問題都與自我作用 (self-interation)有關,我舉一個電子與電磁場之無限項例子:

電磁力之影響範圍遵從平方反比定律,即1除距離之平方,電子與自己的距離是0,故影響自己之範圍是1除0,等於無限,由於E=mc2,故電子質量豈非無限大!那和觀察結果不乎.重正則化利用無限減無限得有限之方法計出電子質量(因為有限加無限也是無限).

荷蘭物理學家Hendrik Kramers認為電子之質量是由兩個質量-bare mass及infinite mass組成,利用麥斯威爾方程(Maxwell Equation)計出另一個電子質量,又是無限,用第二個質量減第一個質量,剩下的就是bare mass,即電子正常質量.

當然那不是樣樣東西都可以重正則化,妳要好巧妙地把式定成:(無限)-(無限+少少)=(少少),否則答案會是零,或答案尚是無限,最成功的例子是利用重正則化解釋蘭伯移動(Lamb Shift),蘭伯移動解釋在一條軌道上之兩粒不同態之粒子(旋上旋下)能量有少許分別,所以旋上電子變成旋下電子會放出21.11cm微波輻射.

事實上現今物理學上一個理論是否可行完全要看它是否可以被重正則化.