解讀：宇宙中最基本的單元是粒子還是波？

弦理論的基礎

1984年，格林和施瓦茲提出了弦理論，這個革命性的理論修正了我們對宇宙超微觀性質的理論描述，隨着一批批物理學家的前赴後繼，使得該理論和愛因斯坦的相對論和量子力學相容了。弦理論的出現並不是一帆風順的，它經歷了兩次作者稱之爲“超弦革命”。

第一次是發生在1984年到1986年，是“第一次超弦革命”，在那3年裡，全世界的物理學家們爲超弦理論寫了近一千多篇研究論文。弦理論被譽爲當地最偉大的理論之一，但此後又經歷了一系列質疑和低谷。

第二次是1995年，惠藤在南加利福利亞一次物理學大會上發表演講，提出了一套新的方法，有望克服以前所遇到的理論障礙，全世界的超弦理論家們又一次看到了希望的曙光，我們稱之爲“第二次超弦革命”。

弦理論有幾個基本理論

1：宇宙的基本構成要素不是點粒子，而是像細橡皮筋的上下振動着的唯一絲線，各種不同的粒子只是這個線圈的不同振動模式。

2：宇宙中所有的物質和力都來自於這種振動的線圈，我們稱之爲：弦，它非常非常的小，平均大約是普朗克長度的尺寸，大小是原子核的一萬億億分之一（小數點後19個零）。

3：弦是構成宇宙萬物真正的“原子”，可以稱之爲“基元”，比它再小的物質已經沒有什麼意義。

弦與粒子質量的關聯是很容易理解的。弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現象：當我們用力撥動琴絃時，振動會很劇烈；輕輕撥動它時，振動會很輕柔。而依據愛因斯坦的質能原理，能量和質量像一枚硬幣的兩面，是同一事物的不同表現：大能量意味着大質量，小能量意味着小質量。因此，振動較劇烈的粒子質量較大，反之，振動較輕柔的粒子則質量較小。

依照弦理論，每種基本粒子所表現的性質都源自它內部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成，而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上是在相同的弦上彈奏着不同的“音調”。由無數這樣振動着的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。

在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性。現在我們明白了，粒子的波動性就是由弦的振動產生的。

物理學家還發現，弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在着直接的聯繫。同樣的關聯也存於弦振動模式與其它力的性質之間，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強力也完全由它的振動模式決定。這裡又涉及到了四種基本力。

宇宙中存在着各種類型的力，是它們把散沙般的基本粒子結合在一起，組成了各種各樣的物質，並安排了宇宙間的秩序。這些力從本質上都可歸結爲四種基本力：引力、電磁力、強力和弱力。

這四種力的來源是不一樣的。引力源於物體質量的相互吸引，兩個有質量的物體間就存在引力，物體的質量越大，引力就越大。電磁力是由粒子的電荷產生的，一個 粒子可以帶正電荷，或者帶負電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸。如果一個粒子不帶電荷，則不受電磁力的影響，不會感受到排斥力和吸引力。強力主要是把夸克 結合在一起的力，所以也叫核力。像電磁力一樣，也起源於電荷，不過只是夸克間的電荷，物理學家稱之爲“顏色電荷”。弱力的作用是改變粒子而不對粒子產生推 和拉的效應，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。

四種力的相對強度以及作用範圍都有着巨大的區別。從相對強度上來說，假定以電磁力的強度爲一個單位強度，則強力要比這個單位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到幾乎是可以忽略不計的：在微觀世界中，它只有電磁力的1040分之一！從作用範圍上來說，引力的作用範圍是宇宙範圍的；電磁力的作用範圍在理論上可以達到無限遠，但實際上，大多數物體正負電荷相互抵消，其外部都呈電中性；而強力和弱力的作用範圍則極小，只能在粒子範圍內發生作用。

這四種強弱懸殊、性質各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。

超弦的“超”

物理定律的對稱性

從138億年前的宇宙大爆炸開始，我們的就時刻在變，可以說是瞬息萬變，而我們假定主宰這些變化的定律是固定不變的，即使這些定律在變，也應該是非常緩慢的。物理學家們將這種物理定律不隨時間和空間的變化的性質稱之爲自然的對稱性。就像引力、電磁力、強力和弱力在不同的尺度上都應該具有一樣的規律一樣。

自旋

基本的粒子（如電子）能像地球圍繞太陽旋轉一樣圍繞着原子核旋轉。但電子並沒有表現出類似地球自轉一樣的規律。但是100年前法國人安培證明了磁性來自電荷的運動。後來物理學家們證明了電子既像地球一樣公轉，也會像地球一樣自轉，而且不僅在電子身上表現出這樣的特性，在其他三族物質粒子中也表現出類似的特性。也就是在宏觀的世界中和微觀的世界中，我們觀察到的規律是一致的。

在弦理論的背景下，自旋與質量和力荷一樣，也關聯着弦的振動模式。而且在所有弦振動模式中，一種沒有質量的2-自旋，正是引力的標誌性特性。哪裡出現了引力子，哪裡就有引力。這也證明了弦具有引力的特性。

超對稱性

1973年，物理學家韋斯和朱米諾發現超對稱性，從新構造的弦理論中出現的那種新的對稱性，也能用於以點粒子爲基礎的理論。這是一個重要的發現，把超對稱性引入到點粒子的量子場論框架中。隨着80年代中葉超弦理論的復甦，超對稱性又在原理髮現它的背景下出現了。超對稱性的出現，讓我們解決了包括費米子振動模式問題，也實現了引力的量子理論，超對稱性與弦理論的融合，從而實現了四種自然基本力在弦理論中的大統一。