浅谈超弦M-理论及其进展

浅谈超弦/M-理论及其进展,了解物理世界的基本出发点：,构成物质世界的基本单元及其之间的相互作用,四种相互作用,引力电磁力弱相互作用力强相互作用力,1.Gravity3.Weakinteraction,Newton,Beta(radioactive)decaySunisshining,2.Electromagnetism4.Stronginteraction,Faraday,Holdnucleitogether,为什么要研究引力的量子行为？,理解极强引力场比如黑洞奇点附近的物理极早期宇宙（1043s）的物理时空的本质及其量子涨落探讨暗能量、暗物质的本质和性质,暗物质,暗能量,大尺度上的引力性质,甚高能高密实验室普朗克能标物理暴涨场引力波,“Dark”UniverseRecentastrophysicsdatatoldusthatourUniverseismadeof:startsandgalaxies(ordinarymatter)0.5%Restofordinarymatter4.5%Darkmatter(notordinarymatter)25%DarkEnergy(fillingupemptyspace)70%The“sky”ismademostlybysomethingotherthanordinarymatter.,“Dark”Universe,近期宇宙学观察告知我们的宇宙的物质组分：73暗能量22暗物质5普通发光物质,量子场论,对基本粒子及其相互作用提供了非常成功的描述但对引力的描述失效原因：紫外发散不能通过所谓的标准重正化使其成为有限,量子力学狭义相对论量子场论,光子,正电子,电子,基本假设：所有基本粒子为没有大小的点粒子,r,Q1,Q2,R,V（r）,Q1Q2,r2R,r,V（r），r0,点粒子极限R0,V（r）,Q1Q2,r,r0,重整化：使得这种发散重新变得有限,超弦理论是解决引力量子化并将引力与弱相互作用力、电磁力和强相互作用力统一的一种尝试,两种弦结构：,弦理论的基本思想：,自然界观察到的不同的基本粒子对应一维弦的不同振动模这些粒子的不同性质对应该弦的不同量子态,特别：,开弦包括零质量的规范矢量模，因此具有传播规范相互作用的潜力。闭弦包括零质量两指标的对称张量模，因此具备传播引力相互作用的潜力。,一个量子意义上微扰自洽的弦论：,不应有紫外发散出现其粒子譜中应有一个具有与通常引力子相同性质的粒子该理论应将量子力学、规范理论和广义相对论统一在同一理论框架内,超弦第一次革命（8485）：,建立了五种微扰意义上自洽的量子弦理论（TypeIIA、IIB，TypeI（规范群SO（32），杂交弦（规范群SO（32）或规范群E8xE8）每一种弦理论的自洽性要求（19）维时空和时空超对称,（19）,得到包含SU(3)xSU(2)xU(1)的规范群手征费米子三代轻子和夸克N1超对称,（13）,Calabi-Yau紧致化,FinalTheory?,(TheoryofEverything?)TOE,存在很多疑惑：,比如太富有问题一个现实世界但有五种自洽的理论存在可能的答案：五种微扰弦理论尽管表明上不同但实际上是物理上等价的每一种弦理论，尽管将量子力学和广义相对论统一起来，仍不是描述自然的最终统一理论而仅仅为一个更基本、唯一理论的一个特殊方面建立上述任一可能性要求我们研究这些弦理论的非微扰性质,检验问题：,弦理论具有自然能标：Mpl1019GeV和10维时空对该理论的最小检验是（19）（13）可观的物理即粒子物理的标准模型然而至目前我们还没有找到一种紧致化使得微扰弦论从定量上与标准模型一致这也表明，如果弦理论与现实世界有关(?)，我们的世界一定处于弦理论的非微扰区域,一个渐进理论能成为终极理论吗？,如果微扰弦理论是终极理论，可能的输入量应是光速、Planck常数和弦张力加上可能的初始条件（边界条件？），其它都应由其动力学决定，特别是弦真空态。然而，对五种微扰弦的每一种，我们都假定平坦时空和弦耦合常数g=1,MF=MD9=MD8=MD7=MD6=MD5=MD4=MD3=MNS5=MD2=MD1=MD0非微扰弦理论包括：不仅仅一维弦及其相应的动力学，还必须包括其它高维膜及其相应的动力学。,特别：当弦耦合常数g1，,一维弦本身的动力学效应变得最不重要，这时动力学最重要的膜是具有零维的D0膜.对于一般的g1，所有膜及其动力学都必须考虑，而且时空维数可以是11维的，因此将该理论称为弦理论已不合适：一个更大的理论M理论,弦理论的二次革命（9396）：,发现弦理论的动力学不仅仅由一维弦本身所描述，还应考虑其它称为膜的动力学效应。特别在弦的非微扰（gO(1)）区域，其它膜的动力学效应比弦本身还重要，同时也纠正了早期弦理论家们认为弦与其它膜不相关的偏见。理论上建立了一个更大、唯一的统一理论M理论的存在性：其中五种微扰弦理论和11维超引力理论是该理论的六种不同极限。,发现了各种如T，S和U对偶关系。开弦/闭弦对偶及AdS/CFT对偶,D膜：两种描述,Bulk时空描述：,R,开弦描述：,退耦极限:,D膜闭弦描述闭弦在一给定背景如AdS，D膜开弦描述平坦时空的规范理论。AdS/CFT对偶全息原理的一个具体实现！,弦/M理论首次成功地为一些黑洞熵提供了微观统计解释。,视界,视界,黑洞,弦/M-理论可能的间接实验证据：,超对称的发现（LHC）额外维空间的发现（LHC）规范/引力对偶应用于夸克胶子等离子体（QGP)性质的计算（RHIC）应用于讨论分数量子霍尔效应,超对称和大统一,耦合常数,能量,Higgs机制与超对称,质量问题解决粒子物理标准模型中矢量玻色子和轻子（费米子）的质量：对称性自发破缺（Higgs机制）MH1000GeVHierarchy问题自然的MH1016or1019GeV（考虑量子修整）,超对称是解决上述问题最好的方法！,探索更高维空间的实验,膜世界图景（粒子）,膜世界图景（弦论）,可能的高维空间事例（假设TeV能量尺度）,QGP:AdS/QCDvsLattice/Experiment,给出了固定角度实验确定的高能散射振幅标度行为胶子球质量计算与相应Lattice计算的比较,ReggeTrajectory（softpomerons):实验关系：计算：,弦/M理论的一些近期进展,弦/M理论对近期观察宇宙的应用对动力学超对称破缺机制发展的推动对该理论非微扰动力学客体M2膜的有效描述Ads/CFT对QCD、强子物理、凝聚态物理中量子相变比如超导、超流、冷原子系统等的广泛应用,弦/M理论的基本问题或挑战：,该理论的基本原理是什么？如何建立该理论完整的非微扰框架？基本自由度？背景无关表述？真空问题（stringlandscape)?如何解释近期观察的宇宙加速膨胀？,弦/M理论的暗示和启示：（Speculation！）,时空测不准或时空非对易暗示着时空模糊性即时空很可能不是基本的而是一个诱导概念。该理论中的各种对偶关系暗示着在非微扰的意义下经典和量子的模糊性。这些对偶关系也暗示着各种相互作用