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宇宙的琴弦（上）——弦论简介
- 1. mabo01@baidu.com Baidu Si-Fi Group: 1375819
- 2. 为什么会出现弦论？ 它解决了什么问题？ 弦论的思路、概念和现状？ 弦论的困境 物理学的困境
- 3. 考虑到题目的生僻和时间的限制 先简要的说一遍 （10 min） 稍详细的说一遍 （50 min）
- 4. 从量子力学和相对论开始
- 5. 量子力学研究微观尺度的物质和现象 . 能量：量子态（普朗克、爱因斯坦） . 物质：一切微观粒子都具有波粒二相性（德布罗伊） 结果：微观世界变成了 汹涌的量子波浪和泡 . 粒子在空间中的运动用波方程描述（薛定谔） 沫；经典因果律失效 . 波方程描述的不是粒子的轨迹，而是出现概率（波恩） （量子纠缠和塌缩） . 系统状态之间遵循“不可测”原理（海森堡） . 场：量子场论（狄拉克）
- 6. 相对论研究宏观大尺度的物质和现象 . 光速不变性公理 . 相对性原理（狭义相对论） 结果：宏观世界：时间 . 同时性消失 和空间是一回事；时空 . 时间膨胀 和每个人的运动状态相 . 空间压缩（洛伦兹压缩） 关；时空在引力场中扭 . 等效性原理（广义相对论） 曲；宇宙非静止不动的 . 引力场对空间的扭曲 . 引力场对时间的扭曲 . 膨胀的宇宙
- 8. 黑洞核心 . 由广义相对论预言（1916），并得到观测证实 （1971，天鹅座X-1） . 质量密度/引力大到相对论效应极其明显 . 尺度小到必须考虑量子效应（黑洞蒸发和辐射）
- 9. 大爆炸原点 . 膨胀宇宙： . 广义相对论预言（1915） . 哈勃观测验证（1929） . 通过广义相对论对宇宙膨胀进行时间反演 . 质量密度/引力极大 . 尺度极小
- 10. 引力极大 在这种 条件下两者水火不相容， 尺度极小 也就是说：两者不可能都是正确的
- 13. . 爱因斯坦 - 统一场论 - 失败 . 狄拉克 - 狄拉克方程 - 局部有效 . 量子场论（对场的量子化）- 局部有效 . 标准模型/大统一理论 - 对实验解释很成功，但尚未证实或证伪 . 希格斯玻色子负责引导规 范变换中的对称性自发破 缺，是惯性质量的来源,是 整个“标准模型”基石。 . 弱电对称破缺 . 不包含引力
- 15. 对所有基本粒子！ . 粒子不是点状的，而是一维的小环 . 不同的粒子和性质是闭合环不同的振动模式 . 超弦具有11维的时空结构（10空间+时间） . 弦（的7个空间维度）卷曲（紧化）成3维空间 . 卷曲的空间中包含了汹涌的量子涨落 . 引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义 . 时空量子泡沬由“弦几何”代替了 . 相对论和量子力学的统一（通过高维空间，四种力统一） . 用量子引力理论包含了引力 . 带来了对时空的新认识（空间的膜结构和平行宇宙） - 间 . 验证：惰性中微子；贝肯斯坦-霍金熵相关的黑洞难题 . 预言了超粒子的存在，尚未实验证实 . 质疑不断，也不是唯一的希望（环量子引力理论） ～ 5 min ~
- 16. 稍详细的说一遍 （50min）
- 17. 需要先简要的回顾两点…… 关于物质的知识 关于时空的知识
- 18. 古希腊人猜想物质是由原子构成的 1930s 原子的太阳系模型（汤姆逊、卢瑟福、玻尔、查德威克） 电子、质子和中子就是原子 1968 夸克被发现（盖尔曼） 物质是由电子、上夸克和下夸克构成的 1956 中微子被发现（泡利|雷恩、柯万） 1936 μ子被发现（卡尔.安德森|超重版的电子|电子兄弟：第二代轻子） 1973 第三类夸克（顶和底）被预言（ 小林诚和益川敏英|1995 被发现） 1974 桀夸克被发现（ 哈伊姆·哈拉里） 1974 魅夸克（J粒子）被发现（ 丁肇中） 1977 τ子被发现（电子兄弟：第三代轻子） 六种夸克和一队电子兄弟 每一种粒子都存在对应的反粒子 对物质的认识是曲折的，如果不是混乱的话
- 19. 人们对它们进行分类… 按费米-波色子分类： 费米-狄拉克统计 玻色-爱因斯坦凝聚
- 20. 按性质和质量关系分类： 物质分为3族，每族包括1个电子（兄弟）和2个夸克 1 2 3 轻 电子 u子 T子 电子-中微子 u-中微子 T-中微子 上 桀 顶 下 魅 底 同一行内质量依次增大，性质完全相同 为什么是3族，而不是4族或者1族？ 为什么粒子质量似乎是随机分布？ 为什么周围世界只需要电子和上下夸克（第1族）？ 为什么有些粒子不遵循这样或者那样的对称？
- 21. 力使问题更复杂了 四种基本力：引力、电磁力、强力、弱力 力的共同点 所有的力都关联着一个粒子（重子、轻子、介子） 力的“大小”由“荷”决定 力的困惑 为什么是4种，而不是5种？ 为什么特性差异如此巨大？ . 引力比电磁力小38个数量级 为什么引力如此特殊？
- 22. 标 “ ” 费 19 “颜 ” “ ” 这 值 质 标 /实验 /实验 质 质 变 为 这些粒子和力为什么是 这样的 性质？ 这些粒子和力本质上存在什么样的 联系？
- 23. 关于时空的知识 （宏观）
- 25. 麦克斯韦方程（1855-65） 1. 电磁场的统一 2. 电磁扰动以恒速传递 爱因斯坦问：如果跑得和光一样快会怎样？ 牛顿：光停了 Max：无静止的光（光速不变） 迈克耳孙-莫雷：实验证实了光速不变
- 27. 1 时间膨胀
- 28. 2 空间收缩
- 29. 3 同时性消失
- 30. 4 在时空中运动 C A B
- 31. 5 以光速为上限 C E = mc2 A B
- 34. 如何排除重力触发炸弹？ G
- 35. 思维实验 - 封闭车厢(1) 线运动 对
- 36. 思维实验 - 封闭车厢(2) 运动
- 38. 思维实验 - 刚性转盘 C = 2Rπ
- 39. 扭曲的空间和非欧几何 罗
- 41. 那（引力场中的）时间呢？
- 42. 关于时空的知识 （微观）
- 43. 一份一份的能量，一份一份的暖气费
- 47. 哥本哈根解释 间 费曼解释 为 联 间 联 应
- 48. 最诡异的现象—量子隧道 基本粒子的波函数（几率波）总有一小部分穿过了墙 量子力学的最核心原理—测不准 空间和时间的尺度越小，粒子的活动就越狂乱 E=mc2 能量和物质 无中生有 有即为无 ～END ～
- 50. 长 10e-33 m
- 51. 也许 也许上帝就是运用两套设计语言 也许世界就是两组规则统治 相对论适用于宏观 量子管微观？ No! 爱 爱 华. Edward Witten 统 场论 .M- 论 统 论 费 场论 从广义相对论建立的那一刻起（1912） 一百年来人类就从没有屈服过
- 52. 难道它们是可以统一 甚至是彼此需要的么？ Yes!
- 53. 薛定谔方程（波方程）中遗忘了狭义相对论（E=mc2） 放进去又取出来了（不符合氢原子实验）。 电动 相对论量子场论的一个分支 . 量子的：几率和不确定性是基础 . 场论：基于经典的麦克斯韦电磁场 . 相对论的：E=mc2 有史以来最精确的理论 .木下东一郎，电子性质，小数点后12位都得到了实验的证实 场论 统一的历程 . 弱力于电磁力统一于“弱电场”分离于“对称破缺”（温伯格等） . 大统一理论：强、弱、电磁力的统一（1970s）：标准模型
- 55. 直觉 引力是对称的：收到的作用力与运动状态无关 其他三种力是否也是对称的呢？ 理论和实验 同种“颜色”的夸克间的相互作用是相同的 甚至颜色和位置发生了转移，相互作用也不变 强力对称性 规范对称的一种 理论 为使观察立场对称，广义相对论要求存在引力 规范对称性中，杨-米尔斯场要求存在X力 （强、弱和电磁力） 为了把量子力学融入广义相对论， 应该寻找一种引力的规范场理论
- 56. 万物的琴弦
- 57. 得来全不费工夫 1968 CERN的Veneaizno 研究强力的性质 偶遇200年前的欧拉β函数 但是为什么呢？2年后 用一维振动弦模拟基本粒子，则其性质可用欧拉β描述 论实际 庞 维 间 缩 扩张 对 维 间发 对 发 2008 诺贝 奖 对 论 论 贡 诚 诺贝 2008 诺贝 奖 奖 员 报 绝 议 “ 论 论” 变换为“ 论 论” 论 —亚 对 发 对
- 58. 但是1970s 量子色动力学（以点粒子为基础）正火 J.施瓦兹从“垃圾堆”里捡出了它，因为它“太美了” 但是它似乎管的太多了：包含了“多余”的信使粒子 施瓦兹和Scherk(巴黎高师)：这个信使粒子符合“引力子” ：弦论不单是强力的理论，而是包含了引力的量子理论。 但是如果（人为的限制）仅用它解释强力，则有过错误， 没有人太在意它…… 就这样，过了10年。
- 59. 直到1984年……标准模型正让人疲惫和退却 格林和施瓦茨：弦论可以容纳4种基本力 搞理论物理的常常10年磨一剑 1984～86 第一次超弦革命
- 60. 弦什么做的？ 弦在怎么振动？ 怎么就振出各种粒子了？ 一边振一边怎么就相互作用了？ 弦的振动模式怎么决定粒子的性质？ （质量、电荷、自旋、同位旋、磁矩、寿命...） 怎么就把引力场、引力子、引力规范对称包含了？ 怎样调和广义相对论和量子力学的时空模型的？ 怎样超越标准模型的？ TO BE CONTINUED...