弦

物理学名词

弦，是一个物理学名词，定义为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”。

简介

弦是一门理论物理学上的学说。弦理论里的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，大至星际银河，小至电子，质子，夸克一类的基本粒子都是由占有一度空间(只有长度，没有宽度的线)的“能量线”所组成。中文的翻译上，一般是译作“弦”。

较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由只占零度空间的“点”状粒子所组成，也是目前广为接受的物理模型，也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题，但是此理论所根据的“粒子模型”却遇到一些无法解释的问题。比较起来，“弦理论”的基础是“波动模型”，因此能够避开前一种理论所遇到的问题。更深的弦理论学说不只是描述“弦”状物体，还包含了点状、薄膜状物体，更高维度的空间，甚至平行宇宙。值得注意的是，由于弦无法被直接观测，弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测，关于这一点，以下内文会说明。

发展历史

弦理论的雏形是在1968年由Gabriele Veneziano发现。他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学公式，然后在一本老旧的数学书里找到了有200年之久的欧拉公式（Euler's Function），这公式能够成功的描述他所要求解的强作用力。然而进一步将这公式理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”却是在不久后由李奥纳特·苏士侃所发现，这在日后则发展出“弦理论”。

虽然弦理论最开始是要解出强作用力的作用模式，但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反电子，正反中微子等等，以及四种基本作用力“粒子”（弱作用力粒子W或Z玻色子，强作用力粒子胶子，电磁力粒子光子，以及引力粒子引力子），都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成，而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。

超弦理论

另外，“弦理论”这一用词所指的原本包含了26度空间的玻色弦理论，和加入了超对称性的超弦理论。在近日的物理界，“弦理论” 一般是专指“超弦理论”，而为了方便区分，较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。1990年代，爱德华·维顿提出了一个具有11 度空间的M理论（目前的超弦理论只有9维空间+1维时间，且有多种分支，“M理论“被认为是统一各分支的”终极弦理论“），他和其他学者找到强力的证据，证明了当时许多不同版本的超弦理论其实是M理论的不同极限设定条件下的结果。这些发现带动了第二次超弦理论革新。

弦理论与大统一理论

弦理论会吸引这么多注意，大部分的原因是因为它很有可能会成为大统一理论。弦理论也可能是量子重力的解决方案之一。除了重力之外，它很自然的成功描述了各式作用力，包含了电磁力和其他自然界存在的各种作用力。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙，这还是未知数。

物理哲学

在未获实验证实之前，弦理论是属于哲学的范畴，不能完全算是物理学。无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。

科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了，这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据，因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已，不过这至少表示研究方向是正确的。

本质

弦的长度为10^-34米，每秒钟振动10^42次，振动速度达到光速（约每秒30万千米），振动时有一个或多个不振动的节点。弦分为开弦与闭弦，开弦最为经典的例子就是光子（光的基本粒子）与物质，闭弦有引力子（承载引力）等。开弦像一根线段，有两个端点，光子有最简单的开弦振动模式，只有一个节点；闭弦像一条橡皮圈，没有端点，引力子有最简单的闭弦振动模式，只有两个节点。在弦理论中，时空有10~11维，而在三维空间中，存在着”D-膜“，开弦由于有端点，只能在膜上滑动，所以我们无法到达四维空间，但如引力之类的闭弦由于没有端点，能脱离膜运动，能够到达更高维空间，所以我们感受到的引力已经有很大部分“流”到了更高维空间，已经减弱了。

宇宙弦

在宇宙大爆炸时，产生了大量的弦，一般认为，它们不断融合，产生了大型的宇宙弦，大致有100亿光年以上。宇宙弦很难用望远镜直接观测，但能通过引力透镜来间接发现。通常的引力透镜是由于星系团的引力作用，使光线扭曲，会看到星系团后的星系分成两个虚像，但像是扭曲的，而宇宙弦引起的引力透镜效应不会导致像的扭曲。但到目前为止尚未发现可以认定是宇宙弦的情况。

物理声学术语

物理声学给琴弦下的定义是，张于2个固定点之间，由弹性固体材料构成的均匀、柔韧的细线称之为琴弦。

要使1根琴弦振动起来，必须具备4个条件。第一要有支点，第二必须悬空，第三要松紧适度（张力恰当），第四要施加激励（击奏或摩擦）。概括而言就是必须具备“端点、悬空、张力、激励”4个条件。具备了这4个条件而振动起来的弦，其振动方式与状态也较为复杂，一般用肉眼只能观察到它的横振动。实际上，当它受到激励时，还附加、包含有纵振动、扭转振动、倍频振动等等，只是因为它们较弱，难以被直接观测到。

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