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作 者：[美]斯蒂文·S.古布泽（Steven,S.Gubser）
出 版 社：重庆大学出版社
出版时间：2018年08月
定 价：56.00
I S B N ：9787568910507
所属分类： 大众新知（科普） > 自然科学
标 签：
普林斯顿大学弦理论专家斯蒂文·S.古布泽教授的《弦理论》是一本普及弦理论相关知识的科普读本，他从解释爱因斯坦的质能方程、量子力学、黑洞理论入手，然后切入量子理论以及其他核心概念，尽量用普通人也能明白的类比方法阐释了粒子、弦、膜、超对称性、高维空间等弦理论的基础知识及其完善发展过程，还有其合理性，可以让读者对这一万有理论的强力候选者有一个入门级的认识和理解。
斯蒂文·S.古布泽（Steven S.Gubser），美国物理学会会员，普林斯顿大学物理学教授，理论物理学及弦理论研究专家。他先后荣获欧洲物理学会的格里波夫奖、纽约科学院的布拉瓦特尼克奖、美国古根海姆基金会的古根海姆奖等。他撰写的相关论文被学术界广泛引用，也著有多部物理学方面的入门读物。
引言
1 能量
1.1 长度、质量、时间和速度
1.2 E=mc2
2 量子力学
2.1 不确定性
2.2 原子
2.3 光子
3 引力和黑洞
3.1 黑洞
3.2 广义相对论
3.3 黑洞不黑
4 弦论
4.1 引力对战量子力学
4.2 时空中的弦
4.3 弦的时空
5 膜
5.1 第二次超弦革命
5.2 D-膜和对称性
5.3 D-膜的湮灭
5.4 膜和黑洞
5.5 M-理论中的膜和世界的边缘
6 弦对偶
6.1 一个维度在这里，一个维度在那里，谁在数？
6.2 引力和规范理论
7 超对称和大型强子对撞机
7.1 超对称的奇特数学基石
7.2 可能的万有理论
7.3 粒子，粒子，粒子
8 重离子和第五维
8.1 地球上最热的东西
8.2 五维空间中的黑洞
尾声
术语英汉对照表
空间是什么？时间又是什么？一种观点认为空间的意义仅仅在于存在于空间中的物体。空间所描述的是物体之间的距离。关于时间的类似观点是说时间本身是没有意义的，它仅仅描述了事件之间的次序。让我们说得再具体点，考虑一对粒子，A和B。一般的观点认为它们各自都在时空中的某个轨道上运动，轨道相交时发生碰撞。这说得也许并不错。但让我们换一个角度，假设如果没有粒子时空就没有意义。这意味着什么呢？嗯，为了描述粒子A的轨迹，我们可以研究位置随时间变化的函数。同样也可以这样来描述粒子B。如果我们可以这样做的话，我们就可以不管时间和空间了，除非它们用于表示粒子位置的演化。我们仍然可以知道粒子之间是否发生了碰撞，因为当它们碰撞的时候它们将具有相同的位置和时间。
如果上述文字描述得太抽象的话，让我们把粒子设想为配备了全球定位装置和钟表的赛车。让我们假设全球定位装置每秒钟都会记录赛车的位置。我们能从研究全球定位装置的记录中得到什么呢？好，首先让我们假设所有的赛车都在相同的赛道上运动。通过全球定位装置的记录，首先我们知道赛车将周期性地回到相同的地点，即每行驶固定的距离——赛道的周长，赛车就将回到相同的地点。于是你得到结论，啊哈！赛车原来是在一个圆形的赛道上行驶。其次，假设你注意到赛车在不断地加速和减速。在此过程中也许你的头会被擦伤，这时你终于得出结论说赛道并不是圆形的！除了有弯曲的赛道，赛车必须减速，还有直线赛道，在这里它们可以快速行驶。你可能还注意到所有有全球定位记录的赛车都按相同的方向围绕赛道行驶。你可以正确地推论这里存在着一个规则，所有的赛车都必须按相同的方向行驶。最后，你还注意到我们的赛车可能会经历很多次几乎相撞的情形但从来都不会真的相撞。于是你理智地推论说赛车的目的就是确保不要相撞。最后就是只要看很多赛车的全球定位记录，尽可能多地收集信息，你就能知道不少关于赛道及如何在赛道上行驶的信息。与直接看一场真实的赛车相比，这是一种非常笨拙的发现规则的方式。但观看赛车是一项非常复杂的活动。你站在赛道外边——这本身就意味着没有时空赛道就不能在那里。观看意味着光子会从赛车上反弹并射入你的眼睛，这里涉及大量的物理知识。相比之下，通过全球定位装置记录所有车的位置确实会来得简单得多，一秒一秒地记录，这里确实包含了关于赛道的基本信息。有了这些记录，你就不需要问诸如观察者站在什么地方，光子是从哪里射到哪里这类问题了。你没必要去问——实际上，你也没理由去问——在这个世界上除赛道之外是否还存在别的东西。甚至你都没必要假设赛道存在。实际上你是从研究赛车移动的数据才推论出赛道的存在及其性质的。
弦论在很多方面与之类似。我们从弦运动和相互作用的方式推论出时空的性质。这种方法称为世界面弦论。世界面是记录弦如何运动的一种方式。它就好像是逐秒的全球定位记录，记录了赛车在赛道上所处的位置。当然，由于以下两个原因，世界面更复杂。首先，一根弦是又长又软的，当我们说一根弦所处的位置的时候，我们必须说清楚弦上每一个小部分所处的位置。其次，正如前面我们回顾过的，弦通常有26维，或至少有10维。这些维度可能会以某种复杂的方式弯曲或卷曲起来。我们一般不能以“站在赛道边”并“看”赛道上赛车的方式去看时空的几何结构。有意义的问题是那些可以被表述为弦是如何运动并相互作用的问题。时空本身在世界面近似中只是弦的经验，而不再是固定的舞台。
弦的世界面仅仅是个外表。如果把它切开的话，你能得到一个曲线，这个曲线就是我们设想中的弦。以不同的方式切开世界面就像我们在不同的时刻查看赛车的全球定位记录。为了说清弦是如何在时空中运动的，你必须给世界面上的每一个点规定好它对应空间中的位置和时间中的时刻。这就好比给世界面附加上一整套指标。当你切开世界面时，你获得的曲线将仍然带着那些指标，所以它“知道”在空间中它应该具有的形状。世界面作为一个整体是弦在时空中运动所划出的表面。
设想一下地形图，你就可以理解我说的给世界面做标记了。在地形图上有等高线，而且每条线都带着标记——或者，如果有很多的线的话，我们可以每 5 条线标记一条。现在，我们就有了地形图，它本身是平的，只是一张纸而已。但它却可以表示多山的地形。
一种设想弦世界面的方式是把它想象为描述弦如何在时空中运动的地形图。但另一种观点说弦世界面就是全部了，时空不过是你在世界面上写下标记的集合。在普通的地形图上，标记是海拔，所以标记的集合代表的不过是地球表面所有可能抬高的范围：如果不算海盆的话就是从大约-400米到大约8 800米。在世界面弦论中，每个标记都记录着一个26维位置的信息（或在超弦中是一个10维位置的信息）。这26个维度中的某些维度会弯曲变形并重新和它们自己连接起来，就好像是封闭的赛道。这里的时空概念是从我们对世界面的标记中“呈现”出来的，这就好像我们说海拔是从我们如何对地形图进行标记中“呈现”出来的一样。
现在让我们停下来小结一下，并讨论世界面弦论中的一个精彩之处。我们通常认为弦在时空中振动。如果不是的话，那就更好了，这意味着将会有除动力学原理之外的原则可以控制弦的形状。在弦论中就是这样。在弦论的世界面近似中，时空仅仅是描述弦如何运动的一系列标记。在量子力学的处理中，这些标记会有小的涨落。现在，这里有真正精彩的地方。计算表明，只要时空本身遵从广义相对论的方程，量子涨落就会发生。广义相对论是关于引
力的现代理论。这意味着量子力学和世界面弦论可以解释引力。太酷了。
这里不解释我们是如何“计算”弦世界面上时空指标的量子涨落的，因为那将牵涉太多技术细节。但有一点和我们的赛车类比有联系，这会对形成我们的直觉有帮助。回忆一下，我曾经说你可以通过观察赛车在特定赛段的减速和加速来判断赛道是直的还是弯曲的。嗯，有一件事是几乎可以肯定的，那就是在赛道上几乎没有拐角，所谓拐角就是非常突然的转弯。因为当赛车靠近拐角的时候，所有的车都不得不停下来，这样的比赛就没意思了，因此拐角的设置是有违赛车精神的。类似的，在广义相对论的方程中有一样东西是几乎完全被禁止的，它就好比是时空中的拐角——通常被称为奇点。我说“几乎”是因为奇点实际上是可以在黑洞的视界后面存在的。在大多数情况下，时空中是没有奇点的，就好像在赛道上是没有拐角的。就像赛车很难不停下来就在拐角处拐弯一样，弦也不能穿越大多数的奇点。但确实有例外的情形。弦论中的一个奇妙而巨大的主题就是如何理解那些可以存在的奇点的类型。通常这些奇点是不能用广义相对论来解释的。所以，弦论实际上允许了比相对论更丰富的时空几何的类型。我们知道那些弦论允许的额外的几何在某些情况下与膜有关，这将是我们在下一章中要讨论的问题。
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