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寻找超弦理论的证据
李淼 2009/04/19

      超弦理论的几乎没有疑义的预言是超对称和高维空间。至于超对称在什么能量标度破缺以及高维空间在什么尺度紧致化,弦论还没有成熟到可以预言的地步。如果能用简单不费钱的实验探测到超对称和高维空间的痕迹,毫无疑问是令人振奋的事。
    
      弦论中有许多标量场,如果这些场象引力场一样是无质量的,可能在宏观的尺度上修改引力的牛顿定律。一般假定这些标量场获得质量,质量的大小与超对称的破缺标度有关。质量公式可能不唯一,但由于是引力介入的关系,最有可能的公式是m=M2/Mp,M是超对称破缺的标度,Mp是普朗克质量。
    
      如果超对称破缺的标度在一个Tev(一万亿电子伏)到十个Tev之间,那么标量场的质量就很小,对应的波长是一个毫米到十个微米之间。过去几年,受弦论的启发,有许多理论家对可能的比较大的高维紧致空间发生兴趣。如果假定除了引力外,其它相互作用不在内部空间(即多于四维的空间)传播,那么内部空间的尺度可以大到一毫米,如果只有两维大尺度的内部空间,而其余内部空间与普朗克尺度差不多的话。通过维度紧致化所得到的内部空间尺度对应的能量和上面给出的公式完全一样,现在m是内部空间尺度的倒数,而M不再是超对称破缺的标度,而是理论中的基本标度,普朗克标度不再是基本的。
    
      标量场也是力的媒介,相同的荷在标量场的作用下是吸引的。如果标量场有质量,那么力就不是长程的,有一个指数衰减,力程是标量长质量的倒数。所以,如果上面的两种可能任一种对应于自然界,我们就应该在低于一毫米的短程内测量到新的力。这样的力不会比引力强多少,所以实验不很容易做。
    
      英国《自然》杂志二月份的一期登了一个最新的实验,基本上在10微米到100微米之间排除了新的力,当然排除只是一个范围,不能排除比较弱的新的力。实验对力程和力的强度的测量有一个关联。例如,如果力程是100微米,那么强度不可能比一大很多(以引力的强度作归一化)。
    
      应当说这是目前为止覆盖范围最大的实验,可以与其它实验一起用来对各种理论可能作一个限制。
    
      我们上面说了,弦论本身的发展还不能精确地计算每个模标量场的质量和相互作用强度,所以限制还不能用来直接检验弦论。例如,弦论中的伸缩子场(控制弦的相互作用强度)的质量就很难计算,虽然其相互强度在不同的模型中可以相对容易地决定。
    
      进一步的实验会带来对弦论更有用的限制。当然,最激动人心的可能是直接探测到力程在微米量级的新的力。
    
    
    
    附相关报道:科学家完成迄今最精密的小尺度引力测量实验
    
      新华社伦敦2月28日电(记者 王艳红)万有引力与物体间距离的平方成反比,这一规律在微小的尺度上还适用吗?弦论所预言的高维空间和新型作用力存在吗?美国科学家利用新型实验装置进行的测量表明,至少在108微米的尺度上,不存在引力定律异常现象。
    
      牛顿于约300年前确定了万有引力公式,卡文迪许测定引力常数也有约200年历史。近年来理论物理学的发展使一些科学家认为,在非常微小的尺度上,引力与距离的平方反比定律可能不成立。因此,用更精密的实验测量微小尺度上的引力,成为非常受关注的研究课题。
    
      美国科罗拉多大学和斯坦福大学的科学家在2月27日出版的英国《自然》杂志上报告说,与自卡文迪许时代就一直被用于测量引力的扭秤装置不同,他们设计的新装置使用了一种频率为千赫兹的共鸣振荡技术,对相隔108微米的物体之间的引力进行了测量。这是迄今最精密的引力测量实验。这一实验给寻找引力定律背离的努力确定了一个新的尺度上限,即108微米。科学家希望,这种新型实验装置经过改进后,能够在更小的尺度上探究引力的性质,寻找证明超弦理论的证据。
    
      与电磁力等其它基本作用力相比,引力非常微弱。因此在小尺度上,电磁力会对测量造成很大的干扰,必须把电磁力减少到原来强度的10的40次方分之一,才能使引力作用不被电磁力所淹没。因此,在小尺度上测量引力非常困难。
    
      理论物理学界进行了多年的努力,仍未能建立引力的量子理论,但科学家普遍相信存在这样一种理论。弦理以及超弦理论是最有可能成为这一理论的学说之一,目前成为将量子论与引力相结合的热点。根据某些弦论模型,除了我们生存的三维空间,还存在额外的空间维,这些维度可能被压缩得很小;引力的强度实际上与其它作用力相当,但由于它在高于三维的多维空间中传播,结果被“稀释”了。
    
      有关理论提出,在足够小的尺度上观察,可以发现引力在高维空间中传播的现象,使平方反比定律不再适用。一些弦论模型还预测存在某些未知的基本粒子,传导着未知的新型作用力。因此,在小尺度上寻找引力作用的异常,可以为迄今并未得到任何实验支持的弦论提供第一个实验证据。
    
      在用新型装置进行的实验中,科学家并未发现任何异常现象。这为超弦预测的新型作用力限定的新的尺度范围。科学家希望能通过改进技术如提高共鸣振荡频率,来进行更精密的实验。
    (李淼 中国科学院理论物理研究所 )
    


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