超弦理論：與支配宇宙萬物的數學式 人人伽利略18

一、 超弦理論入門

序言

6 追求「終極的數學式」 ①∼②

10 物質的「最小零件」

弦的本質

12 弦的性質 ①∼②

16 弦的振盪

18 弦的振盪與質量 ①∼②

超弦理論的世界

22 超弦理論的歷史 ①∼②

26 高維空間 ①∼②

30超對稱性

32 膜 ①∼②

追求終極理論

36 量子重力理論

38 宇宙之始

40 暗物質

42 超弦理論的證明

44 擴展的應用例 ①∼②

 

二、 再更深入一點！超弦理論

專訪 

50 橋本幸士博士

超弦理論的下一個「革命」也許就發生在明天！

56 格林恩博士

超弦理論「傳道士」所提供的理論物理學現況

62 大栗博司博士

「萬物理論」的探索歷程

額外維度之驗證 

72 探索「看不見的維度」！

 

三、支配宇宙萬物的數學式

82 支配宇宙萬物的數學式 ①∼② 

86 第1項  重力的作用量 ①∼② 

90 第1項之前  重力的作用量 ③ 

92 第2項  電磁力、弱力、強力 ①∼② 

96 第3項  粒子與反粒子 ①∼② 

100 第4項、第5項  質量的起源 ①∼② 

104 第6項  湯川耦合 ①∼② 

作用量數學式的未來 

108 暗物質 ①∼②

112力的統一

114 終極理論

 

四、再更深入一點！支配宇宙萬物的數學式

專訪 

118 村山 齊博士

最終是希望能夠僅以一力，只用一個基本法則說明宇宙所有的現象

124 南部陽一郎博士

在荒蕪之地播種是一種快樂

130 梶田隆章博士

超越基本粒子之「標準理論」，開闢新的地平線

推薦序

 

　　套用疫情期間常聽到的「超前部署」一詞，超弦理論就是理論物理學家發展出來一套嘗試統合支配宇宙萬物法則的理論。因此曾有人說，超弦理論是被20世紀的物理學家意外發現但本應該出現在21世紀的理論。距離這個理論被第一次完整提出的1984年，已將近50年。如果回朔到更早時南部陽一郎與Leonard Susskind所提出的原始構想，早已超過半世紀。如今，超弦理論的發展面貌已經與一開始時大相徑庭。然而回顧初衷，這個理論依然還處在「超前部署」的階段。畢竟想要以實驗來驗證理論的預測或指導理論的進展，以目前高能物理實驗的前景來看，仍是遙不可及。但是另一方面，由超弦理論與全像原理所啟發的場論──重力對偶性經過多年的發展，已經為超弦理論的發展另闢蹊徑，應用於解決其他領域無法用微擾論處理的問題。這些成果也可以視為對超弦理論內在邏輯的實際檢驗。當然，超弦理論是否能夠作為支配宇宙萬物法則的終極理論，最終還是取決於未來可能的實驗檢證。

 

　　超弦理論所以能夠「超前部署」，主要是奠基於1980年代以前粒子物理取得的一系列進展，成就了粒子物理的標準模型，以及愛因斯坦相對論所預測的大爆炸宇宙論被觀測證實，成就了宇宙學的標準模型。這兩個標準模型的確立，使得當時整個物理學界瀰漫了樂觀氣氛，甚至有些人認為離物理學的終結不遠了。超弦理論就是這種氛圍下誕生，被期待用來統合這兩個標準模型的理論基礎所提出來的萬物理論 (Theory of Everything)。

 

　　本書詳細地介紹了相關理論的各個主要部分，包括兩個標準模型的理論作用量，以及超弦理論的出發點、超對稱、膜等等。此外，內容中還有對幾位傑出的物理學家的訪問內容，包括2008年的諾貝爾獎得主南部陽一郎、2015年諾貝爾獎得主梶田隆章、超弦理論的知名科普作家Brian Greene以及其他知名的日本物理學家如大栗博司等。從這些訪問內容以及本書的精美程度，也可以看出日本深厚的科學傳統，並致力於提升全民科學素養的努力。

 

　　另外，參與日文版編著的橋本幸士，與筆者是同行，也是合作者。他多年來始終如一地推動超弦理論的科普，熱情令人感動。也由於他細膩地穿針引線，才使得本書的內容如此精彩透徹。本人也很高興能參與審訂，為中文版出一份力。儘管超弦理論還未完善，但其精深的程度，無愧是當代理論物理學的一顆耀眼明珠。希望這本書能啟發某些小讀者，使他們將來能夠為完善這個理論貢獻心力。