超弦理论及其开放性可分性与“观察者”问题，本文主要内容关键词为：观察者论文,开放性论文,理论论文,可分性论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
本文勾勒了超弦概念的产生与超弦理论轮廓，进而剖析了超弦的有关哲学意义：（1）物质的统一性。（2）超弦具有开放性。（3）超弦支持了物质具有可分性，而且超弦本身也是分与合的统一。（4）超弦与观察者题，即超弦理论中的相互作用点与观察者的参照系有关，这并不意味着超弦的相互作用失去了客观性，原因在于超弦对称性或开放性。
近年来超弦理论在国内外理论物理学界受到了相当广泛的重视，成为最热门的前沿课题之一。许多物理学家把超弦理论作一个可以用来统一自然界所有物质及相互作用的理论。超弦理论自80年代创立以来，已取得较大进展。尽管超弦理论还有许多问题有待解决，然而其清晰的思想概念，对于我们认识物质结构及物质可分性具有重要意义。
1. 从标准模型到超弦理论
1.1 标准模型的成就与困难
自20世纪初建立相对论和量子论以来，它们不断得到实验的严格检验，成为新物理学的基石。1954年，杨振宁和密尔斯（Mills）首次建立普遍化的规范对称性数学理论，杨－密尔斯理论 [1]。当要求物理规律在局域对称变化下保持不变就必须引入新的场——规范场，其量子为新的规范粒子，该粒子的交换引起新的力。1967～1968年，温伯格（S.Weinberg）、萨拉姆（A.Salam）在格拉肖（S.L.Glashow）工作的基础上提出弱电统一规范场理论，在70年代得到初步证实，80年代得到进一步证实。在使人们坚信，用满足定域规范不变性的量子场论来描述各种相互作用是一个正确的方向。然而道路并非一帆风顺。相对论（包括广义相对论）也应是规范理论，可是量子论与相对论之间始终存在一条很深的鸿沟，理论物理学家们一直难以统一它们。尽管如此，物理学家们也努力作了许多工作，60年代开始量子引力理论研究，70年代广义相对论重正化研究，70年代末的非阿贝尔（Abel）的卡卢扎－克莱因（Kaluza-Klein）理论（高维时空理论）研究、超引力理论研究，等等。至此，似乎给人们的感觉是：引力量子化或许是一种猜想，能否实现，有待证实。
产生这种困难的原因很多。例如牛顿引力常数G的自然单位制量纲为[M[－2]]，在量子引力理论中，计算跃迁几率时，大虚动量积分产生的无限大项（即发散积分项）就有无穷多种，以至无法用重正化方法把它们消去。在标准模型中，还有以下问题：为什么有夸克轻子的代？希格斯（Higgs）粒子是否存在抑或只是某种效应？粒子的质量如何起源？规范对称性的起源是什么？是否存在没有发现的基本粒子的新种类？是否还有新的基本力？CP破坏的起源是什么？引力能否与量子论保持一致？等等。 [2]
为什么会产生这些困难呢？一些思维敏锐的物理学家提出问题的根源可能在于传统量子场论的“点模型”，也就是说，每一个“基本”粒子被看作是一个点。有的物理学家认为，应当用弦模型代替点模型。
1.2 弦理论
弦理论是一种以弦模型代替点模型的量子场论。它把一个基本粒子不再看作一个点，而是看作一根很短的弦，弦的长度为普朗克长度量级，约等于10[－33]厘米，弦的激发能量为普朗克质量，约等于10[19]吉电子伏特（Gev）。
1968年，维内齐阿诺（G.Veneziano）提出“双重性共振模型”，以描述低能强相互作用的共振现象与高能强作用的雷吉行为。1971年，雷蒙德（Ramond）、内维优（Neveu）、斯瓦茨（Schwarz）又提出“双重性π介子模型”。1970年，南部阳一郎（Nambu）和萨思坎德（Susskind），论证了共振模型实质上等价于一种一维客体——“弦”的量子描述。于是，弦理论产生了。但是弦的概念不清楚。有人认为，弦是夸克与夸克之间强相互作用的力线，有人认为夸克是弦的端点，弦才是客观存在的客体。1974年，谢尔克（Scherk）和斯瓦茨提出弦的新内涵，认为弦本身就是对基本粒子的一种描述。换言之，基本粒子不是点粒子，而是极短的弦。若此，弦理论不仅包含杨－米尔斯规范场的粒子，而且也包含引力子。因此，弦理论可能成为完成四种相互作用统一的理论。
弦理论的困难：70年代弦理论是不自洽的，其基态不是正常物理态，而是虚质量的快子（超光速粒子）态，实际时空为四维，而弦理论的时空维数相当高。如上所述的“双重性共振模型”的弦理论的时空维数为26维。“双重性π介子模型”弦理论为10维时空。
1.3 超弦理论
超对称性，是一种把具有不同自旋和统计性质的粒子联系起来的对称性，或者说是让费米子与玻色子互换的对称性。1971年，超对称性首次出现在戈尔福德和林克曼的工作中 [3]，但没有引起人们的注意。在非线性实现的超对称变换下不变的理论，是由阿库洛夫和沃尔柯夫于1972年提出 [4]。超对称的另一条道路是由内维优与斯瓦茨于1971年在弦的二维空间中引入的，即超规范变换 [5]，这种变换将标量场变为旋量场，玻色场变为费米子场。
1976～1977年，格列奥齐（Gliozzi）、谢尔克、奥利夫（Olive）提出改进“双重π介子模型”弦理论，这种改进后的“弦理论”在每一能级都有相同数目的玻色态和费米态，这一特点正是超对称性的特征。在此启示下，格林（Green）和施瓦茨于1981年首次把超对称性与弦理论结合起来，建立超弦理论 [6]理，1984～1985年，格罗斯等提出杂化弦理论。所有超弦理论都必须建立在10维时空中。
2. 超弦理论特点
（1）基本特点。在超弦理论中，所有的粒子（夸克、轻子、规范玻色子、引力子以及其它的超对称伴子）被建造于同一基本客体——弦。弦理论是一种基本粒子的亚结构模型。时空是10维且是超对称的。通常情况下，额外的6维时空成为4维时空。超弦理论的自然包含了杨－密尔斯和引力规范不变性。超弦理论包含量子引力在内，避免了标准点粒子模型的发散困难 [7]。
（2）手征反常的克服。在低能弱作用情况下，宇称不守恒，理论物理学家认为这是由于左手征性及右手征性的差别造成的。例如，中微子都是左手征的，在弱电统一理论中就存在这种守恒定律，例如电荷守恒定律，这种破坏称为“手征反常”。手征反常标志了规范不变性的破坏，导致理论不自洽。这样就需要一种理论既是手征的，又无手征反常。1989年，格林与斯瓦茨证明，当规范群是特征正交群SO（32）或E[，8]中的一种时，手征反常恰好抵消，后来又找到了O（16）×O（16）群也可导致没有反常的10维手征理论。
（3）超弦理论与点模型之区别。由于弦的张力强，只在极高能量（≥10[19]Gev）才能跃迁到激发态。目前世界上最大的粒子加速器能量未超过10[3]Gev，激发态不起作用，弦就象点。然而在相当高能量（≥10[19]Gev）和极短距离（≤10[－33]厘米），超弦场论与点模型量子场论的行为完全不同，点就是点，弦就是弦。
（4）超弦之拓扑性质。弦以两种不同的拓扑出现，一是开弦，一是闭弦。开弦是具有自由端的线段（有开拓扑），象琴弦有端点。闭弦是没有自由端的圈（有圆拓扑），象根橡皮筋。开拓扑可以转变为圆扣扑。
（5）超弦场论种类。第一类是开弦模型的超弦场论。开弦的两端带有规范场的荷。开弦还可以弯曲起来使两端连接成为闭弦。因此，开弦场论既包括开弦又包括闭弦。闭弦有自旋为2的引力子，即闭弦中含有引力子传递的引力相互作用。第二类是闭弦模型的超弦场论。闭弦没有自由的开端，它不能断开为开弦。于是闭弦就无法携带规范场的荷，这显然不合物理要求。1984～1985年，又提出了杂化闭弦，这是第三类。杂化闭弦理论认为规范场的荷可以在闭弦上有一个分布密度。这样杂化弦超弦场论就克服了第二类闭弦超弦场论的缺点。
（6）超弦之相互作用。点粒子的量子场论是定域相互作用。超弦场论也是定域相互作用，即在每一时刻，每个弦上只有一地点发生相互作用。对于开弦而言，两个开弦可以接成一个开弦，或一个开弦断开为两个开弦，这与点模型规范场论对应。对于闭弦，两个闭弦并接成一个闭弦，或一个闭弦断开为两个闭弦。这与点模型的引力相互作用对应。杂化弦则不包括开弦的相互作用，但，由于杂化弦上分布有规范群的荷，因此杂化弦既包括引力相互作用，也包括规范场传递的相互作用。在开弦场论中，如果取规范群为SO（32），则无发散，也无手征反常。在杂化弦场论中，如果取规范群为SO（32）或E[，8]×E[，8]，也可得到同样结果。从目前看来，杂化超弦场论最具希望成功。
（7）超弦之成就与挑战。杂化弦场论E[，8]×E[，8]已初步通过物理上的一系列考验，如包含引力相互作用和杨－密尔斯规范场传递的相互作用；至少在单圈计算中无发散与手征反常；通常的大统一模型所预言的质子寿命（∽10[29]年）太短，与实验测量不符，而杂化弦场论所预言的质子寿命可能长得多。引入超对称后的大统一理论即最小的超对称大统一理论SU（5）预言质子寿命为10[33]年以上 [8]，可见超对称性是一个极为重要的概念。这就是在引力量子化和超大统一的道路上又前进了一大步。
当然还有一些问题要解决。例如为什么宇宙常数的值小于10[－120]？为什么时空是4维？额外的维数是如何紧致化的？在多圈计算中，反常能否抵销？发散能否消除？等等。
尽管如此，著名物理学家施瓦茨充满信心地说：“我完全相信，我们接近了自然界的一个唯一基本的理论，但是期望过多过快是不现实的。我们可能在进行几十年的艰苦工作后，才能得到一个什么是真正需要的弦的满意的解答。解决这些问题肯定需要数学进步。但今后10～20年的实验结果肯定会在鉴别我们的想法中扮演一个重要的角色。” [9]
3. 超弦的哲学意义
3.1 物质的统一性问题
世界统一于物质是辩证唯物主义的一个基本命题。哲学层次上的物质统一性，还需得到自然科学层次世界统一性的支持，否则哲学上的原理及概念无异于无本之木，无源之水。从自然科学来看，在超弦理论之前，世界是由各种基本粒子组成的，这些基本粒子往往被看作是“点”，就如几何上的点，没有大小。点模型作为一种科学抽象，抓住了问题的主要矛盾，但也带来了逻辑不自洽。例如，在电磁学中，用试探电荷（只带电荷，没有大小）测量电场的场强。理论认为，试探电荷本身不影响原有场强的分布，显然这是不合理的。只要有电荷就一定有电场，因此试探电荷测得的电场应是试探电荷的场与待测电场的迭加。同时，由于试探电荷为几何点，在试探电荷处，其电场强度必为无穷大（由点电荷场强推知）。可见，测量中测量仪器干扰了待测物质性质。点模型往往带来计算中的发散问题。例如，万有引力定律在两质点距离为零将为无穷大。在超弦场论中，以弦代点，是科学认识的一大进步，它避免了计算中的发散问题。从现代宇宙学来看，超弦存在的区域正是宇宙原初的普朗克时代，由于弦的物质性及有限性，因此，宇宙创生于有，而不是创生于无。随着自然科学的进展，物质统一的具体层次愈来愈深入。原先物质统一于分子、原子、原子核，然后又让位于夸克与轻子，现在我们似乎可以说物质统一于超弦及相应量子场。
3.2 超弦之开放性
我们曾提出微观物质具有开放性，即微观物质是一个开放系统， [10]微观物质的性质由其内部与外部共同决定。就微观粒子而言，微观粒子有自作用，有虚粒子的产生于湮灭。任何微观粒子皆有引力相互作用，而引力无法屏蔽。微观粒子服从海森堡不确定性原理。例如，位置动量不确定关系2表明，如果把微观粒子定域在空间某处，则平均说来，它一定有很大的动量，亦即有很大的动能。因此，粒子受有限动能的限制，它就可能远离原来的位置。能量时间不确定关系表明，时间有不确定性，那么平均说来能量也有不确定性，而能量的不确定性表明微观粒子体系具有能量不守恒性，即体系开放，粒子系统内部与外部能够相互交换能量。常说的微观“粒子”（注：微观客体在没有成为宏观的量子现象之前，并不是一个粒子性客体）具有波粒二象性，就是微观“粒子”与宏观外界相互作用的产物。
对超弦来说，弦也是一个微观客体，也具有开放性。（1）弦有一有限长度，为普朗克长度量级，弦中有张力，因而弦是一个系统，开弦的两端带有荷，通过端点接触可以与其它开弦相互作用。开弦也可以形成闭弦。可见，开弦有自作用也与外界开弦相互作用。两根闭弦也可以结合成一根闭弦。（2）从超对称性来看超对称性是将费米子与玻色子的变换应用第二次。其结果可预言一个费米子。令人惊奇的是，它不处于原来的费米子的空间位置。超对称变换不可避免地要联系到空间中的位移 [11]。可见，在超弦理论中，超对称性这一性质使超弦的内部空间与外部空间结合起来，从而使得超弦对外界开放。
3.3 超弦与物质可分性问题
惠施提出“一尺之捶，日取其半，万世不竭”的物质无限可分论思想；而古希腊德谟克利特提出物质是由不可分的原子构成的；近代道尔顿提出科学的原子论，其原子也是不可分的。19世纪末，电子的发现，打破了原子不可再分的神话。后经粒子物理学家努力，原子核又分为质子与中子，在本世纪60年代，理论物理学家提出夸克理论，认为质子、中子等是由夸克组成的。到1950年，实验物理学家发现了6种夸克中的最后一个夸克——顶夸克。但是，由于“夸克幽禁”，不能以有色夸克单独存在，因此自由夸克至今还没有碰撞出来，或许永远不会有自由夸克。这意味着物质可分到了新的关节点，出现了分的新形式。由“夸克幽禁”不能逻辑推出质子、中子不可分为夸克，没有打出自由夸克只是表明夸克存在有其环境。至此，我们认为，“分”就是整体中体现出部分存在。 [12]由于6种夸克与3种轻子构成了3代，出现了周期，这就启示物理学家认为夸克、轻子是由更基本的实体构造的。犹如元素周期表出现的元素周期性在于原子的核外电子的排列周期，即原子进一步可分。目前有的物理学家发展了亚夸克模型。而另一道路是沿着统一相互作用的方向前进的。通过对电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用及引力相互作用的研究，物理学家首次实现了弱电统一，大统一理论（如目前的最小超对称性大统一模型）也取得重大进展。沿着这一方向，80年代创立超弦理论，量子场论中的所谓“基本”粒子不过是超弦在低能状态下的各种表现而已。换言之，夸克、轻子等还可再分为弦。回首反思“夸克幽禁”问题，“夸克幽禁”并没有表明物质可分性问题的终结，仅表明物质可分性在夸克处体现出新的特点。
超弦本身是否可分呢？我们知道，两个开弦可以接成一个开弦，或一个开弦断为两个开弦。这表明开弦具有可分性。同样，两个闭弦可以并接成一个闭弦，或一个闭弦分成两个闭弦。可见闭弦也具有可分性。杂化闭弦也有与闭弦相类似的相互作用。由此可见，开弦、闭弦的分与合是物质统一性的两个方面，分与合是统一的。
总之，超弦理论为我们认识物质可分性提供了新的启示，从前被视为点状的基本粒子也具有一定的尺度。对物质结构不同层次的认识，表明分具有新的形式。“分”也是一个开放性概念，其内涵在不断地发生变化。对分的认识，也是对不可分的认识，物质无限可分性是可分与不可分的辩证统一。
3.4 超弦与观察者问题
点粒子之间的相互作用在量子场论的微扰处理中用费曼图（Feynman）表示，一个粒子在时空中运动可以用一条轨迹表示，即世界线。世界线的汇聚与分叉表示粒子经受了相互作用。弦理论中，弦的时空轨迹是二维面，称为世界面。费曼图是有特定的入射和出射弦的二维面，且能按拓扑分类。在此，我们仅考察闭弦与杂挂弦。它们只有一种相互作用，可以分解成局部的世界面单元——“裤裆图”，形如有裤腰及两条裤脚的裤子。当一个表示时间切片的平面与裤管相交时，就可以看到两根封闭的弦或一根封闭的弦，其中间过程是两根弦的靠近接触与融合，即是两根弦合并为一根闭弦。相反过程，从裤腰到两条裤脚，就成为一个闭弦分裂为两根闭弦。
在什么时空点上两个点粒子（或弦）发生相互作用变为一个点粒子（或弦）呢？在点粒子理论中，不同洛仑兹参考系中的观察者将认为同一个时空点是相互作用点。但是，在弦理论中，时间切片（表示观察者所在的洛仑兹参照系）与裤裆的表面相切的点才是相互作用发生的点，易见，不同的时间切片，其相互作用点是不同的，即是说，弦理论中相互作用点依赖于观察者所在的洛仑兹参考系。 [13]那么观察者在超弦理论中起什么作用呢？
我们知道，狭义相对论中长度、时间、质量的大小与观察者所在的参照系有关，在量子力学中，一个量子现象与观测仪器的性质有关，不同性质的观察仪器测量同一微观客体（过程）会得到不同性质的结果。这就是所谓“观察者”问题。对于量子现象，作者已从微观物质具有开放性这一特征出发进行了较系统的诠释 [14]。即量子现象是微观客体与宏观环境相互作用的产物，这里的环境可以是观测仪器，也可以是自然界提供的相应宏观外界。可见，量子现象是一个客观现象，没有引入观察者的意识去干扰微观客体的本来面目。至于狭义相对论，长度、时间、质量于测量仪器的状态有关，这也是一个客观过程，不同的仪器状态对同一客体有不同的测量结果。这表明反映物质性质的物理量也具有开放性，物质的性质就是其内部与外部相互作用的产物，或者说是内部性质与外部性质的整合，这仍然意味着狭义相对论中的物质具有开放性。综上所述，我们不难得出这样的结论，产生所谓“观察者参与”问题，都在于物质具有开放性，物质的性质不仅由其内部固有性质而且由其外部性质决定。
在超弦理论中，弦之间战胜相互作用的点与观察者所在的参照系有关，是否引入了观察者的主观性呢？要知道，超弦存在的区域，哪有人存在呢？这只能表明弦理论中重要的是拓扑结构。尽管点粒子之间相互作用的点是相同的，但是在作用顶点上可以选取众多不同的相互作用，也就是说，相互作用是任意的。而在弦理论中，弦的世界面是没有特殊点的世界流形，相互作用的描述纯粹是表面拓扑构造的结果，即相互作用是由理论的拓扑结构决定的，因而没有点粒子情况下相互作用的任意存在。由于在弦理论中，共形映射（或保角映射）的世界面是等价，因此在求和操作中只需对共形不等价的表面进行，而且每个拓扑的共形不等价几何可为有限数目的参数表征，这使得弦理论的有关积分具有收敛性质。弦理论中作用点的不同并不影响相互作用的大小（或本质），这在于共形变换中大小位置无绝对意义。超弦理论具有超对称性，而超对称变换与时空位移有联系。两个超对称变换就是一个时空变换。因此，因观察者所在参照系不同而变化相互作用点，并不影响相互作用本身，相互作用具有客观性，而作用点不同意味着超弦之开放性。
点的绝对性的丧失，实际上在狭义相对论中就出现了，因为长度随参照系而变。重要的是点与点之间的关系，超弦理论以弦代点，意味着点的绝对地位丧失及点的相对地位崛起，弦概念侧重整体及弦与外界的关系。或许可以认为超弦理论表明几何点在物理上只能是一个理想的概念，应代之以具有开放意义的物理点。