台大物理系 弦論簡介 EMF

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弦論簡介

台大物理系 賀培銘 教授

[粒子物理] [弦論] [歷史] [現況與展望]

　

（一） 粒子物理：

　　根據現今普遍被接受的物理理論，宇宙中的物質是由一些所謂的「基本粒子」所組成。例如原子是由電子及原子核所組成，原子核是由質子與中子所組成，而質子與中子又分別是由夸克以不同的方式組成。其中只有電子與夸克被認為是基本粒子，在實驗上並沒有找到任何證據顯示，他們是由更小的粒子所組成。除了電子與夸克，還有其他許多種基本粒子，共同組成宇宙中所有的已知物質。根據現有的理論，基本粒子不但說明了物質的組成，也解釋了物質之間的交互作用。例如電子與電子間之電磁作用力，可以解釋為電子間交換光子所造成的效果。因此，宇宙中一切物理現象的規則，原則上可以化約成描述基本粒子的物理定律。因此，研究最基本的物理定律的領域，一般被稱作「粒子物理」。另一方面，要研究更基本的物理定律時，通常意味著要研究更小尺度下的物理；而根據海森堡的測不準原理，要探測更小尺度範圍內的現象，需要更大的能量。因此，我們需要建造更大的粒子對撞機或加速器來研究更基本的物理定律；而研究最基本的物理定律的領域，也被稱作「高能物理」。

　　現在普遍被接受的描述基本粒子的理論，稱作「標準模型」。標準模型的數學架構，是所謂的「量子場，或簡稱「場論」。原則上，數學上可能的量子場論模型有無限多個，可以容許任意多種不同性質的基本粒子，但自然界選擇了標準模型，以及其中所有基本粒子的物理性質，例如電子的質量及電荷等等。高能物理的研究，大致可分為兩類。一類是「現象學」，一類是「場論」。前者是以標準模型為基礎，研究實驗結果與模型間的關係。後者是研究場論的一般性質，並不侷限在描述自然現象的模型中。當然，這兩者之間並沒有清楚的界線。

　

（二） 弦論（string theory）：

　　弦論的出發點是，如果我們有更高精密度的實驗，也許會發現基本粒子其實是條線。這條線或許是一個線段，稱作「開弦」（open string），或是一個迴圈，稱作「閉弦」（closed string）。不論如何，弦可以振動，而不同的振動態會在精密度不佳時被誤認為不同的粒子。各個振動態的性質，對應到不同粒子的性質。例如，弦的不同振動能量，會被誤認為不同粒子的質量。

　　弦論特殊的地方之一，是弦的量子場論可能只有一個。也就是說，當我們考慮弦而非粒子的量子場論時，數學上可能的模型只有一個。（這件事尚未被完全證實，但至今所有已知的弦論都是等價的。）這表示，弦論中所有的物理性質，都是理論本身決定的。如果弦論是對的，電子的質量及電荷等等，都是理論可以告訴我們的。可惜（幸撸浚┑氖牵?艺撌且粋