超弦理论
出版日期:2014-12
ISBN:9787115373868
作者:（日）大栗博司
页数:308页
内容概要
大栗博司
美国加州理工学院理论物理讲席教授，理论物理研究所所长，日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构（Kavli IPMU）研究主任。东京大学理学博士，发现了量子场论与超弦理论的深层数学构造，其研究曾获得美国数学学会大奖（2008年）、德国洪堡研究奖（2009年）、日本仁科纪念奖(2009年)、日本数学学会詹姆斯•西蒙斯奖（2012年），《超弦理论：探究时间、空间及宇宙的本原》获得2014年第30届日本讲谈社科学出版奖。
书籍目录
序言一 9
序言二 11
前 言 13
第一章 为什么不是“点”？ 1
1.点是没有部分的 4
2.物质是由什么组成的 6
3.标准模型之问题一：暗物质与暗能量 9
4.标准模型之问题二：无法解释引力 10
5.诠释场力的不可思议的“场” 13
6.点粒子引起的“无穷大”问题 17
7.不放弃“点”的想法 20
第二章 微观世界的“穷途末路”与“柳暗花明” 25
1.解决无穷大的两种可能 29
2.光既是“波”又是“粒子” 30
3.“反粒子”也会引起无穷大 35
4.“重整化”的作用超出了我们的预想 38
5.“重整化”让“无知的分类”变为可能 41
6.引力为“重整化”关上了一道门 42
7.黑洞是结构层次的终点 47
小专栏 思想实验 50
第三章 从“弦理论”到“超弦理论” 53
1.以根本解决方案为目标的弦理论 56
2.17种基本粒子都是由一种“弦”组成的 60
3.“开弦”是意大利干面条，“闭弦”是通心粉 63
4.为什么弦可以消除无穷大 66
5.光子是“开弦”的振动 68
6.“闭弦”传递引力 73
7.弦理论与超弦理论的区别 76
8.什么是“超空间” 78
9.什么是“超对称性” 82
10.我们在超空间里吗? 86
小专栏 南部阳一郎丢失的论文 88
第四章 为什么是九维空间？ 91
1.为什么这个世界是三维的 94
2.弦理论适用的空间为二十五维！ 95
3.光子没有质量 97
4.“真空量子涨落的能量”并不为0 98
5.“光子的质量”之探究方法 100
6.不可思议的公式推导出二十五维 103
7.为什么超弦理论的维度是九维 105
小专栏 所谓的“了解” 107
第五章 力的统一原理 111
1.力有共通的原理 114
2.电磁场与金融市场相似 116
3.电场与利率 118
4.磁场与汇率 119
5.金融市场中也存在“电磁感应” 122
6.电磁场中也存在“货币” 123
7.电磁场的“标尺”是旋转的圆 126
8.关于“高维度的货币”的杨-米尔斯理论 （Yang-Mills theory） 131
小专栏 金本位制与希格斯玻色子 136
第六章 第一次超弦理论革命 139
1.被抛弃的超弦理论 143
2.不破坏宇称对称性的Ⅱ型超弦理论 146
3.“疾病”缠身的Ⅰ型超弦理论 150
4.标准模型的异常被抵消 151
5.“三十二维的旋转对称性” 153
6.超弦理论与弦理论的“联姻”——杂交弦理论 157
7.用“卡拉比-丘成桐空间”紧化九维 161
8.“卡拉比-丘成桐空间”的欧拉数决定“世代数”！ 165
9.对人择原理的抵抗 170
小专栏 学术的多样性 174
第七章 拓扑弦理论 177
1.无法忘记第一次超弦理论革命给我带来的感动 179
2.在距离都无法测量的空间内能干什么？ 181
3.发现了计算方法 184
4.拓扑四人组 186
5.加利福尼亚州的第二次超弦理论革命 187
第八章 第二次超弦理论革命 191
1.威腾的不满 195
2.一种理论的五种化身 197
3.结合两种Ⅱ型理论的“T对偶性” 199
4.异端之美——十维的超引力理论 203
5.从一维的弦到二维的膜 206
6.可以从十维的理论导出九维的理论吗？ 209
7.“强度”改变维度！ 210
8.“对偶网”与M理论 214
9.维度是什么？空间是什么？ 217
小专栏 宇宙数学 219
第九章 空间的呈展性 221
1.出现在十维空间内的五维物体 224
2.“主角”不再是弦 226
3.开弦缠着D膜 230
4.弦的复活 232
5.“开弦”是“黑洞的分子”！ 235
6.视界是电影的银幕 238
7.引力的全息术（holography） 241
8.空间的呈展性 243
9.被证实的预言 246
10.空间是由什么组成的？ 249
第十章 时间是什么？ 253
1.空间是什么？ 256
2.时间是什么？ 259
3.为什么时间有“方向” 263
4.知晓宇宙开始的引力波和中微子 267
5.继续挑战超弦理论 272
后 记 277
附 录 欧拉的公式 281
作者简介
“空间”和“时间”究竟是什么？
物质的本原不是点，而是弦？
黑洞、高维度空间应该如何解释？
“超弦理论”是继牛顿力学、爱因斯坦相对论之后，时空概念的“第三次革命”。“超弦理论”统一了引力理论与量子力学的矛盾，超越了“弦理论”的局限，解释“标准模型”中“费米子”与包括“上帝粒子”的“玻色子”的振动形态。本书中，大栗教授以通俗、风趣的语言讲解了量子物理基础、“弦理论”到“超弦理论”的最新发展、“超弦理论”的理论原理及证明，并在“超弦理论”下重新思考与探究了时空概念。
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一天一本書不是沒可能啊，誰叫我是在過年回家的火車上讀的呢。1. 數量級的表述/翻譯太操蛋了(現在小學就已經學過科學計數法了，謝謝)；2. 湯川在晚年能想到李白的“夫天地者，萬物之逆旅；光陰者，百代之過客”，算他可愛；3. 圖表的文字說明先右後左，看著真特麼噁心；4. 有膽引用自己想到的高級公式，卻沒膽給讀者備註說明，這是幾個意思～單純是過來顯擺的咯？5. 歐拉的e^(iπ)+1=0是第一次見，而1+2+3+4+5+6+7+8+…=-1/12剛在8日自己推導過，還挺好玩；6. 乾貨略少，略微科普坑人向；7. 如果以孟子的立論文為基準，這作者寫的至多也就在及格線上浮動；8. 扯了一堆逼，啥實質性結論也給不了——蜻蜓點水、飛蝗亂竄，呵呵；9. 比霍金的《時間簡史》還#%&…；10. 手機沒電陣亡中，好走不送。 -
20世纪以来，物理学家们都试图解决广义相对论和量子力学之间的矛盾，寻找描述整个宇宙的万物理论。超弦理论虽然还未得到实验的验证，然而它是合乎数学逻辑并包含引力和量子力学的唯一理论，是终极统一理论的最有力备选。《超弦理论：探究时间、空间及宇宙的本原》是关于超弦理论的科普读物，作者大栗博司是国际弦理论领域的杰出专家，也一直致力于把深奥的物理专业知识，用通俗易懂的语言介绍给非物理专业的普通读者。在本书中，他向读者介绍了理论物理学最前沿的超弦理论知识，并通过亲身经历向读者讲述了两次超弦理论革命的情况。此前，作者已出版了《引力是什么》和《强力和弱力》，它们是关于引力理论和量子力学的科普著作，《超弦理论：探究时间、空间及宇宙的本原》正是上述前两部著作的总结篇，合称宇宙世界的三部曲。超弦理论既是关于物质的理论，又是关于空间和时间的理论。基本粒子理论认为，宇宙万物是由17种基本粒子组合而成的；而超弦理论则认为，物质的基本单元不是粒子，而是弦，弦以不同的振动方式，来表现各种各样的基本粒子。超弦理论早期并没受到物理学界的重视，那时的物理学热门研究课题是基本粒子的标准模型和量子场论。美国加州理工学院的教授约翰•施瓦茨（John H. Schwarz）是超弦理论的创始人之一，他与英国伦敦大学玛丽皇后学院的教授迈克尔•格林（Michael Green）在1984年确定了超弦理论的唯一维度是九维，并存在三十二维的旋转对称性。这个重大发现引发了第一次超弦理论革命。此后，超弦理论成为超级热门的研究课题。物理学家戴维•格罗斯（David Jonathan Gross）说：“在我的经历中，还从未见过对一个理论有过如此的狂热。”超弦理论认为，我们其实生活在九维空间里，但为什么我们能感觉到的空间只有三个维度呢？原因是额外的六个维度紧紧蜷缩起来。超弦理论研究领域的领军人物、普林斯顿大学的教授爱德华•威腾（Edward Witten）和他的共同研究者路易斯•沃尔特•阿尔瓦雷茨（Luis Walter Alvarez）对此作了一个生动的比喻：我们假设有个小丑正在走钢丝。对于只能沿着钢丝前后移动的小丑来说，钢丝是一维的。但是，我们将钢丝放大后发现，有蚂蚁在它的表面上爬行。对于渺小的蚂蚁来说，钢丝的表面是二维的面。不过，这个“第二维度”由于渺小和蜷曲，因此小丑并不知道。也就是说，本来应该具有两个维度的表面，从远处看上去是一维的曲线。由于空间的方向，也就是维度的一部分过于渺小，实质上维度降低的现象叫作“紧化”。这就是紧化额外的维度。第一次超弦理论革命也启发了本书的作者，他进入京都大学研究生院基本粒子研究室后不久，第一次超弦理论革命来临。他在超弦理论方面成绩卓越。十年后，美国加利福尼亚大学伯克利分校聘请他当教授，并将在伯克利创立研究室。此时，第二次超弦理论革命悄然临近。第一次超弦理论革命后，超弦理论的主要问题是：存在五种九维的超弦理论，并且它们都不存在矛盾。物理学家喜欢“统一理论的唯一性”，存在五种超弦理论的理论不够“美”。1995年，威腾掀起第二次超弦革命理论。他在加利福尼亚大学举办的超弦理论国际会议上指出，五种超弦理论其实是一个理论的五种化身。例如，虽然用化学符号表示水蒸气、水和冰都是相同的H₂O，但是只要改变温度和压力，就会出现气体变成液体、液体变成固体的变化。……威腾发现，五种超弦理论与超引力理论互相结合在一起，形成“对偶网”，随着弦之间的作用强度（耦合常数）变大，九维的II A型超弦理论将会变为十维的超引力理论，空间将增加一个维度，这说明空间维度并非固定不变的。统一五种超弦理论的是“M理论”。威腾没有为它具体命名，他表示：“M的意思可以根据个人喜好理解为Mystery（谜）、Master（统治者）或者Mother（母亲）都没有关系。”在M理论中，物质的基本单元不再只是一维的“弦”，它可以是零维的“点”、一维的“弦”、二维的“膜”、三维的“立体”等等P维的东西（P是从0到9的任意整数）。那么，“空间”到底是什么呢？既然空间在某种情况下可以从九维变成十维，那就说明空间并非是基本的东西，而只是某种更加基础东西的呈现。为了让读者更加容易理解这个概念，作者用温度和分子运动的关系作为例子来加以说明。例如，我们平时感受到的热和冷，测量冷热的是“温度”这个概念。19世纪的物理学家通过研究热和温度，开创了热力学这个领域。但是，到了19世纪后半叶，因电磁学闻名的麦克斯韦和奥地利维也纳大学的路德维希•玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann），用分子运动解释了气体的热和温度。他们发现，研究到分子层面，“温度”的概念就消失了。温度是分子所带能量的平均量度。因为分子是随机运动的，所以能量的值也经常摇摆不定，无法严密地确定。但是，数量庞大的分子聚集在一起后，就可以取到一个与能量的平均近似的值。我们只不过是将其作为温度来感觉罢了。温度并不是根本的概念，它是通过分子运动这一更基本的东西导出来的次级概念。就像“温度”这个概念一样，“空间”也不是一个次级概念。关于空间是由什么组成的问题，物理学家们至今还没有答案，而这也是今后超弦理论研究的一大课题。与空间相对应，“时间”又是什么？为什么时间有方向，它只能向前流逝而不能后退？为什么咖啡杯摔到地板上变得粉碎，而不是粉碎的咖啡杯从地板上跳起来然后还原成一个完整的杯子？作者说“这是因为与变成碎片掉在地板上的状态相比，破裂前的咖啡杯处于高秩序状态。从概率上讲，容易发生高秩序状态变成低秩序状态的现象，难以发生相反的现象。”而且，宇宙也是从高秩序状态向低秩序状态的方向发展。然而，为什么宇宙的开端是高秩序状态？这些疑问，也在超弦理论研究的课题之中。书中还提到一个有趣的“人择原理”，这个原理认为，正是因为人类的存在，才能观察和解释宇宙的种种现象。例如太阳与地球之间距离就是一个人择原理的论述：人类测得太阳到地球的距离是1.5亿千米。如果太阳离地球太近，地球温度太高，水就会变成水蒸气；如果太阳离地球太远，地球温度太低，水就会结成冰；无论是哪种情况，地球上都不存在液态水，也就不能诞生包括人类在内的生命体。而正因为地球与太阳的距离适当，气候适宜，才会有生命降生，然后进化出人类这种智慧生物，也才能够测量出太阳到地球的距离是1.5亿千米。人择原理认为，“在没有智慧生命的宇宙中，也没有观测者。宇宙不是只有一个，存在很多自然常数不同的宇宙，只有慧观测者的宇宙，才能观测自然常数”。这是颇有哲学意味的一个原理，不过包括威腾在内的很多物理学家都不认同这个原理，他曾开玩笑般说道：“我个人更乐意认为它是错的，宇宙被创造出的时候，谁也没有与我商量。”2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到引力波，这是激动人心的时刻，是物理学的一个历史性突破。它验证了广义相对论的重要预言，并为我们进一步了解宇宙提供了珍贵的数据。相信在不久的未来，物理学家们将会找到万物理论，为我们解开宇宙的诞生、时间和空间的本质等谜题。 -
读起这本书是因为我看< The big bang theory>, 而买这本书是读了网上那些九维空间和二十五维空间，拿起这本书是因为它不吓人的厚度。这本书是我个人读过最好的理科通俗读物之一。之所以有之一，就说还有另一本是在我五六岁时，读的一本关于数字和数学的起源。我一点都不夸张，先说说那本，里面都是图画，由一个戴眼镜的男孩子穿越回苏格拉底的时代，走访阿拉伯、印度、中国等国家，用一个孩子的眼光介绍了数学中许多著名的定律和起源，可惜那本书被老爸清理书架的时候，应该是送人或者卖了。回到这本“之一”的书，我觉得这本书成人和青少年都应该读下。这本书用普通人的思维和好奇的眼光，在学者系统的思路下，慢慢带入这个连接和带领现代物理学导向的理论书籍。当然五六岁的孩子就读不了了，但是如果十五六岁读来，一定会影响甚至改变孩子对大学学习专业的选择和对人生的理解。真滴：）这本书给我一种类似于宗教的醍醐灌顶。其实本身有过基本中学理科学习的人都会好奇一个问题：如果宇宙有界限，那么界限以外是什么？另外，任何一个成长于近几十年的人，也都听说过时间穿梭，并且看过许多以之为背景的科幻电影，对爱因斯坦这个大牛人所提及的时空概念，都是望尘莫及但好奇无比。如果你是这样，我觉得真的应该买来这本书，痛痛快快的读一下。尽管读完了，对于暗物质、夸克什么的，你还是不明白。但是就好像，韦小宝闯入了几大民间黑社会组织，虽然几个大佬到底究竟干什么的不知道，但好像知道几个大佬之间的八卦、几个大佬老婆之间的恩怨一样。哈哈读来这本书，我觉得对心理的疏导也是很有裨益的。尤其是有过一些教育背景，但是离“参透”生活这种境界还很遥远的我们。读来以后，更加感谢生命的奇迹和所谓现在”高秩序“的世界。读这本书的时候，我倒真是想起原来他们讲那些上帝造世界，呵呵。其实，说了这么多，一句话就可以概括：”这本书很有意思“。我很佩服写这本书的作者——学术上的牛人，通达凡人的心境，对这个世界好奇和热爱的心。
精彩短评 (总计49条)
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实话实说，好多没懂。就感觉基础学科中国和日本差距很大。 -
图书馆偶遇的小书。作者写的比较好懂，而且会考虑到读者的感受。 -
科普一下物理，世界上还有人对终极问题的探索 -
看看 -
喜欢书中的举例 -
时钟那一章很有新意 -
呃呃。。怎么说呢，这本书是说的太简单了。。就是太简单了。简单得把一个跨时代理论也可以两句概括。。。这套路。。真深。。_(:з」∠)_有兴趣应该了解公式来源 -
没想到有一天我也可以看懂那么一点超弦理论，真的太感谢作者了，看完真的感慨全世界在物理学术界研究的人非常了不起。本文对于多维空间的紧缩理论真的有震撼到我，以及各位在这方面锲而不舍和敢于突破思维界限的精神真的值得当代每一个大学生学习！物理学太美了 -
想找本弦论的书看下计算细节... -
翻了翻豆瓣才发现看过那么多书，然而都不记得名字ε٩(๑> ₃ <)۶ з这本主要是弦理论的科普，没什么难的，不过总感觉四维空间的人和柏格森的绵延有点像。 -
对了解弦论的历史和前沿很有帮助。 -
作者对物理的投入让人敬佩，你能很系统的认识什么是超弦理论的理论基础。很烧脑的东西但经过大栗博司的解释也显得有趣。但是唯一可惜的是，那震撼心灵的公式，在推导弦理论是26维空间时引用的欧拉公式，1+2+3……=-1/12，是错误的!它所给出的两种证法也是错的!不知道有没有人发现了？ -
萌。准备再看看作者的另外两本书 -
懵逼中 -
还是会更期待了解超弦理论对时空的可能解释，书却在这里戛然而止了。人类对未知的探索真是令人类自己也瞠目结舌。 -
数学上的自洽性是超弦理论研究的一条巨大引线。数学与物理结合出众多匪夷所思的结果，我竟然都信了：1+2+3+4+……=-1/12。 -
通俗易懂，吸引人。 -
真的看不大懂…… -
原来 空间 也是由别的“东西”呈现出来的，而且还有很多形式。还有惊艳的1+2+3+4+5+……=-1/12 -
这本书最大的特点就是通俗易懂，让不懂的我理解了以前一直没理解的许多。 -
在读，老外就是善于运用比喻，本着对大热的超弦理论的好奇，开头的层展现一下吸引了我~ -
越到后面越难理解，真的后几章看了跟没看一样。看不懂 记不住。最后那个欧拉公式蛮有意思。但是有个漏洞吧——就是所有奇数和等于偶数和不敢苟同。例如10以内的奇数和为25，偶数和为30.数字越大，俩者的差越大。就好像1-2+3-4+5-6+……=1+（-2+3）+（-4+5）+……=1+1+1+……不等于0 -
阿拉啦 前阵子看完啦 现在才想起来mark已读 虽然到最后还是留下了疑问 不过科学本来就是这样没有止境的嘛 读罢最深刻的概念应该是呈展 最刷三观的应该是那个-1/12了 今天上班还在思考这本书的问题 -
确实是非常深入浅出的作品，连我这种不学物理很多年的人都能看懂。。话说回来能把自己领域艰深复杂的专业知识用清晰明确的日常语言讲明白，这也是所有学术牛人共同的标志吧 -
写得并不好啊，完全不是面向普通民众的，但作者一直在如此号称。比国内几本科普的书差太多了。 -
今后要走上超弦理论研究道路的我，就先通过这本科普了解一下全貌吧 -
这是一本，对我这样的文盲+弱智非常体贴的书籍（。经常在字里行间透露出“这里不懂也没关系” “可以先跳过”"我就不具体解释了" “并不会影响对后文的理解”“请继续坚持下去” “纳税人sama请不要放弃”(...) 等等直白的安抚性讯息（。超好看的。托马斯回旋式实力安利。 -
因为不能讲数学所以介绍概念以及他们之间的奇妙关系、他们导出的奇妙结果。作为一本展示Big Picture的科普书，特别是这么高端与理论的内容，读起来还是很舒服且开阔眼界的。里面各个学者的肖像漫画都是作者亲自画的噢！// 虽然以通俗为特色可我真的没理解用金融市场类比电磁场那一段…正整数的欧拉公式原来可以这么用！ // 即使到了这种层面数学物理还是非常好的伴侣，可惜世界仍有许多待解决的问题。 -
第五章关于规范场论的描述不太懂，有待再读 -
前三分之一看着还可以 只是后半部分看着很吃力了 本来就是抱着粗粗了解的心态看的 如果之后对这个方向感兴趣的话肯定值得多次阅读 书的样子很好看！ -
非常精彩，尤其是最后关于空间和时间本质的思考。另外，后记中提到该书出版正值讲谈社blue backs创刊50周年，blue backs似乎是日本一个很有影响的科普系列，可惜不懂日文。 -
说似一物即不中 -
虽然是科普，但也很难懂！但难懂中又有窥视世界的兴奋 -
印象最深刻的就是教授拿电磁场和金融市场做比较那一部分，讲真，上学到现在第一次听到把电流不用比作水流也很形象的高端例子，受教了。
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意料外的有趣，好读。 -
虽然一个公式也没有，一个计算过程也没有，也能体会到数学家构建出来的世界时多么巧妙，虽然还有最终的问题 弦是什么构成的。 -
即使已经写得很科普了，也并没有完全记住所有的内容，感兴趣的话，还需要更深入的研究 -
这是就在我们周围，却从来没有认识过的世界。有趣。如果能看得懂就更好了。 -
10月第8本，2016年第55本。 -
作者很厉害 不过作品非常浅显易懂 适合门外汉还有只想稍作了解的人 -
计算质能和确定维度的部分最精彩，欧拉漂亮极了，缺点是最后没给术语表http://www.ximalaya.com/16496536/album/5110424 -
一知半解依旧看得停不下来。科学家们对美的追求才是极致啊！ -
日系超弦玩家的科普，比较浅显，电磁场跟金融市场的类比倒是挺有意思——电子比作货币，电势差引起的定向移动比作利率差引起的货币流动，磁场中作圆周运动比作外汇差导致的套汇行为，相位的规范变换比作改变货币单位，Higgs 场的引入比作抑制价值波动的金本位制……眼前一亮！ -
无穷正数之和为负数，很厉害的一本书。 -
P182. 作者在京都大学数理解析研究所工作的时候, 时任所长佐藤干夫曾说过:" '早晨起床的时候, 下定决心今天一天要研究数学' 的做法是不可取的. 必须做到 '在思考数学的过程中不知不觉睡着, 早晨睁眼的时候已经进入了数学的世界'." -
好看 科普得引人入胜 欧拉公式惊到了 -
欧拉那个公式是亮点 -
standing on shoulders of giants -
在多维度宇宙的面前，我们连细菌都不如