甚麼是宇宙弦 ?

超弦理論概說

　　1974年美國Schwarz教授和法國物理學家Scherk提出弦論（string theory），指出基本粒子不是點，而是如弦狀物的一維曲線，稱之為弦（string），把一切物質當成九維空間裡的弦。這種弦沒有厚度，長度視環境而定，且極微小，其典型值是蒲朗克長度（Planck length），據說看起來像一條粗的橡皮筋。弦以各種不同的特定連續振盪模式運動，表現各種基本粒子的性質，如輕子、夸克等粒子，目前已知的一切基本粒子就是這些弦的最低振動能態，也就是基態（ground state）。

　　1984年Schwarz和英人Green發現以弦論的九維空間為基礎，引用超對稱性（Super symmetry） 的特殊數學方法，能避免量子力學中一些異常現象（Anomaly），應用超對稱的弦論，就是超弦理論。1985年美國普林斯頓大 Gross教授的研究小組更以超弦理論成功的導出大統一理論和電弱統一理論，有希望將重力統一起來，被看為兼賅萬有論（Theory of everything）的候選者，為近代尖端科學研究的焦點。因為超弦理論模式尚有缺點，例如目前實驗不能達到所需的超高能量、沒有發現超對稱性的數據、粒子加速器所需的能量必須在前所未有的17次方大範圍中探索、不能解釋宇宙常數（Cosmological Constant ）何以為零、難以從數千種真空高能量降為低能量的方法，選擇正確的一種和沒有人真正知曉如何將10維時空完善的緊緻化為4維。

　　其中最重要的是最後一項，決定時空維度的幾何學模式，將是預知超弦理論之鑰。目前最大的難題也就是在此點，無法解釋其立論基礎的所在 ─ 由9維空間和1維時間所構成的10維時空宇宙架構（註８）。由於10維時空的宇宙，不能被一般人所接受，為遷就我們生活其中的四維時空，科學家正尋找將10維時空完美的緊緻化（compactify）之途徑，以成為我們所熟悉的4維時空架構，和吾人無從看見極微小的6維空間，但是至今仍無法完美達成。

　　超弦理論是建立在宇宙十維時空架構的基礎上，宇宙誕生的初始條件就有不少假設，又於十維時空的緊緻化，並無正確的邊際條件可規範，僅由超對稱理論的多種對稱自失途徑來推演，甚難達到吾人所要求的四維時空。

　　享譽國際的宇宙論權威 A. Linde 教授，曾再三強調，為何緊緻化的結果是四維，而非五維或其他維度時空？（註９）宇宙自大霹靂誕生以來，十維時空不一定非要降至四維不可，其他任何維度也可能同樣存在。就超弦理論而言，十維時空的宇宙不需非降至四維不可，其他六維空間也應可同等存在。若根據超對稱性理論，九維空間的方程式是整體對稱的，對每一維空間而言均具有對稱性（註10），即其數學結構是等權的，不一定會於宇宙發生相變時，成為區域對稱狀態。所以除時間一維不變外，理論上其餘九維空間應仍以等權存在，即宇宙至今仍然維持完整的十維時空架構。

　　超弦理論中的E8E8超對稱架構，包含大統一理論和電弱統一理論的對稱性，特別引起科學家的重視。每一個E8代表著單獨的對稱群，其中一個E8描述的是一般物質，另一個E8描述的是影子物質（shadow matter）。這種影子物質除重力外，無其他交互作用力存在（註11），即無法以電磁波探測得到，這正是所謂黑暗物質（Dark matter）的特性。

　　超弦理論已進入實驗測試的階段，歐洲粒子物理中心研究（CERN）為目前正在運轉中全世界最高能量的粒子加速器LEP（large electron-positron collider），其第二期研究計畫，在探討構成宇宙的最基本粒子，尋找輕子和夸克的內部構造，已於1991年3月底宣稱發現超對稱的第一個徵象（註12），進一步的研究正在進行中，以發現有否超弦理論所預測的超對稱粒子。



　　另有宇宙弦（cosmic string）僅為宇宙中假設存在的物質形態之一，為宇宙生成後留在沒有發生相變區域內的一股密集能量，因弦中的環狀弦會放出重力波而消失，所以不可能留至今成為黑暗物質（註18）。重子或冷黑暗物質方式中，白矮星、中子星和黑洞可當成已知質量的物質系統；岩石星塵在星際間比例極低，可以忽略；近年來發現的木星型行星（稱為棕矮星），因質量不大，例如木星在太陽系所佔的物質比例極小。現在探測黑暗物質的熱門目標,是以弱交重粒子（weaklyinteracting massive particles）為對象，包括超夸克（Squark）、超輕子（Slepton）、超電子（Selectron）、和光超子（Photino）等。這些由超對稱理論與所預言的超對稱粒子，可能有質子十倍或以上的質量，或輕如軸子，和普通物質非常相似，然而迄今仍無發現。

超弦理論屬於弦理論的一種，也指狹義的弦理論。這裡的「超」有超對稱性的意思。為了將玻色子（bosons）和費米子（fermions）統一，科學家預言了這種粒子，由於實驗條件的限制，人們很難找到這種能夠證明弦理論的粒子。超弦理論作為最為艱深的理論之一，吸引著很多理論研究者對它進行研究，如果真是理論預言的那樣，我們將有可能建立一種大統一理論，來描述我們的宇宙。