学文网摘 要：弦理论是理论物理的一个分支学科。弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的"弦"（包括有端点的"开弦"和圈状的"闭弦"或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。弦论中的弦尺度非常小，但操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为"膜"。直观的说，我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。
关键词：弦理论快子；不稳定膜全息原理；可积系统
一、引言
超弦理论从上世纪60年代末被发现到今天，已经有了36年的历史。经过了几个转折，发展到今天，成了最流行的量子引力理论。经过许多人的努力，弦论被发展成为一个自洽的、统一的量子引力理论。说弦论是一个自洽的理论，是因为弦论不仅是一个传统上通过微扰定义的理论，在非微扰的层次上也存在。弦论的统一归功于过去10年的发展，特别是1994年至1998年之间的所谓弦论第二次***的许多概念上的飞跃，使得人们发现过去看起来很不相同的弦论其实是同一个理论在不同极限下的不同表现。然而弦论的首要目的是研究现实世界，在这一点上离成功还有很大的距离。在弦理论的框架下有没有可能计算粒子标准模型中的许多参数，有没有可能计算最近几年宇宙学观测所发现的宇宙学常数？这些问题还是目前学界争论的焦点。弦论在近几年的发展，完全遵循了过去几十年来的模式：在一段快速发展之后，由于一些传统难题和新提出的问题相当困难，进入了缓慢但稳定的发展时期。很难预言这个时期会持续多长。但从以往的经验来看，不会过很长时间，就会有新概念的形成从而引发新一轮的高速发展。没有一个人能预言这些新概念和新突破是什么，因为新的进展总是大多数人意想不到的。我们回顾一下近几年来新的发展，就是要总结一下已经存在的发展方向，理顺思路，为接受甚至发现新的突破点作准备。
二、快子和不稳定膜
快子就是那种表面上看起来以超过光速运动的粒子。在场论中，快子的存在并不破坏狭义相对论，因为这样的粒子不稳定。同样，快子所对应的场也不稳定。例如，一个快子标量场的势能有一个局域的极大点，场在这一点附近不稳定，会向势能更小的方向滚动。在物理理论中，经常会遇到不稳定的模式，这些模式其实就是快子。弦论在1994年至1998年之间的巨大进展主要归功于对一些绝对稳定模式的研究。由于这些模式的存在，人们可以对比表面上不同其实是等价的理论，因为在等价的理论中只有绝对稳定的模式是可以对比的，不稳定模式的衰变需要计算，这样的计算在一个理论中可能比较简单，而在另一个理论中也许是不可能的。但是，绝对稳定模式的存在需要超对称的存在。在我们的世界中，超对称并不存在，或者在很大程度上是破缺的，所以，研究不稳定模式是非常重要的一件事。
不稳定膜的研究不仅涉及弦论本身的一些重要问题，如对偶性以及最一般物理态的动力学，在宇宙学中也可能有重要的应用。很多人用D膜反D膜系统构造暴涨宇宙学模型。在这个模型中，宇宙中除了通常的三维空间和一维时间之外，可能存在更多的空间维度。D膜和反D膜充满了我们的三维空间，但可能和其余空间垂直。开始的时候，D膜和反D膜之间的位形不一定完全重合，D膜反D膜之间存在的吸引力将它们渐渐地拉近。由于D膜反D膜之间的吸引力所对应的势能不为零，使得宇宙学加速膨胀从而导致暴涨。最后，D膜和反D膜的碰撞使得这些膜湮灭衰变成相对论性粒子，这就是暴涨宇宙学模型中要求的重新加热，我们的宇宙中的能量和物质起源于这个加热时期。另外一种可能是，开始的时候D膜和反D膜完全重合，但因为某种原因快子处于其势能的高处，这样快子的不等于零的势能使得宇宙加速膨胀。当快子完全衰变成其它粒子的时候，暴涨结束。在这个模型中，我们并不很清楚宇宙的再加热是如何发生的。
三、全息原理和可积系统
全息原理是基于黑洞的量子性质提出的一个新的基本原理，凡是包含量子引力的理论都必须遵从这个原理。
早在20世o70年代初，贝肯斯坦（J.Bekenstein）就发现，黑洞应该有一个宏观的熵，熵值正比于黑洞视界的面积，反比于普朗克长度的平方。对于黑洞的一个外部观察者来说，黑洞所占据的空间由它的视界所决定。假想一个含有很大质量的系统坍缩成黑洞，原系统所占的体积一定大于视界的大小所决定的体积，而原系统的边界面积也大于视界面积，所以黑洞的熵小于原系统边界的面积（乘以一个常数）。如果热力学第二定律在坍缩的过程中是成立的，这样原系统的熵小于黑洞的熵。两个不等式导致一个新的不等式，就是一个系统的熵小于它的边界的面积。这就导致了全息原理：一个系统原则上可以由它的边界上的一些自由度完全描述。
四、弦宇宙学
1998年至1999年之间，型Ia超新星的数据分析使得两个***的小组得出一个惊人的结论：我们的宇宙不但在膨胀中，还在加速膨胀中。早在广义相对论的创立之初，爱因斯坦就将他的理论应用到宇宙学中，发现他的方程不允许有静态宇宙，那时他还相信宇宙是静态的。这个结果非常容易理解，因为万有引力是吸引力，宇宙要么在引力的作用下坍缩，要么作减速膨胀。为了得到一个静态的宇宙，爱因斯坦在他的方程中引入一个很简单的项，这就是宇宙学常数项。这一项的作用是为引力提供一部分排斥力，在这个排斥力和原来的引力的平衡下，宇宙可能是静态的。