灵鹊做题网空间究竟有多少维,我们能看见几维,他们是什么样的?
来源：学生作业帮 编辑：灵鹊做题网作业帮 分类：语文作业 时间：2024/04/27 14:58:27
空间究竟有多少维,我们能看见几维,他们是什么样的?
爱因斯坦的相对论是什么,我们能不能超越光速?超越光速时间会倒流吗?
爱因斯坦的相对论是什么,我们能不能超越光速?超越光速时间会倒流吗?
有科学家称,生活在三维空间和时间中的人类至今不知还有另外六个空间维度.威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家寻找到了观察六维空间的灵感.他提出的观察六维形状的方法被发表在本月的《物理评论快报》上.
除了四维时空,另有六个人类未知的空间维度.
我们都知道,自己生活在三维空间之中,如果加上时间,那么是四维时空.可有科学家称,还有另外六个空间维度是人类至今不知的.
来自2007年2月2日的《物理评论快报》的一则消息称：威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家从太空中寻找灵感,提出了这样的一个假设,在物理学“弦论”的基础下,人类的世界并不完整.除了三维空间和时间之外,还应该存在另外六个空间维度.这些“隐藏”的空间维度以极其微小的几何形状卷曲在我们宇宙的每一个点中.六维空间可以接纳任何可能的形状,而且都与其自身的世界相一致,具有其自身的物理学规律.
这无疑像一颗重磅炸弹落在物理学界.如果真的有六维空间存在,那么爱因斯坦的“相对论”就显示了其理论自身的不完善.
对于人类而言,我们习惯了三维空间的概念,如何能想象和接受六维空间?这神秘的六维几何体到底是怎么样的形状?难以捉摸的六维空间确实存在吗?
[编辑本段]人类为什么看不见其它六维
中国科学院理论物理所朱传界教授告诉记者,“宇宙应该是十维的”是根据一种超弦理论的论证,科学家通过数学方程计算得出的结论.就目前而言,人们只了解一维直线、二维平面、三维空间以及爱因斯坦提及的“四维时空”概念.除此之外,“超弦理论”预测还应该存在另外六个人类未知的空间维度.
那为什么另外六个空间维度看不见呢?
朱教授以水管为例说,当人们站在这根水管的正面看时,水管就是一条直线,我们就只看到了它的前后,它就是一维的.当人们站在一个平面里,看这根水管,就能看到水管的上下左右,那么人们就看到了它就是二维的.当人们在一个立体的空间里看这个水管,它的前后、左右、上下都收纳在我们的眼中,那么它就是三维的.
可如果人们把这根水管放在两维的平面中,然后又把这个两维的平面放在三维空间中,那么会是什么样的呢?于是,科学家把水管想象成像一根头发丝那样细.科学家认为,六个“隐藏”的空间维度,以极其微小的几何形状,卷曲在我们宇宙的每一个点中.
这种观察六维形状的方法之所以被发表在《物理评论快报》上,是因为这种方法能证明通过实验数据来观察这些难以捉摸的维度形状特征是可行的.同时,六维空间的存在也是证实“超弦理论”的主要方面.
[编辑本段]观点交锋
六维空间究竟存不存在
从广袤星系到亚原子微粒,“超弦理论”囊括了所有物体的物理学规律.几十年来,关于“超弦理论”,很多科学家都争论不休,赞同的、反对的,各种声音都有.
拥护者：
没有一个意见能够反驳
不少超弦理论的拥护者表示,目前还没有一个持反对意见者能驳倒它.一旦验证“超弦理论”是正确的,那么人们就能通过解密它们对130亿年前宇宙大爆炸释放的宇宙能有所了解,借助时间机器,穿越黑洞后,“看见”神秘的六维几何体.
“不过,你也不用为看不见十维的世界而感到担忧.”威斯康星大学麦迪逊分校的这位物理学家说,“因为我们的大脑习惯于只是三维的空间,而对于其他六维空间结构却很难感知.虽然科学家们利用计算机模拟出了类似的六维几何体,但没有人能够确切地知道他们的形状到底是怎么样的.”
他说,“我们的想法就是回到那个时候看看到底发生了什么事情,当然我们不可能真的回去.”
很多科幻爱好者都梦想着搭乘时间机器遨游时空,有些科学家也尝试着用最新的原理来证明时间旅行的可行性,也试着用“超弦理论”来讨论它.
因为缺少必要的时间机器,他们使用了另外一个最好的东西,一幅宇宙大爆炸释放的宇宙能量图.这种爆炸释放的能量在随后的130亿年里其实都没有发生变化,它可以被卫星捕捉到,比如美国的威尔金森微波各向异性探测器.通过绘制出宇宙能量图可以帮助人类对宇宙的雏形有一个大概的印象.
反对者：
六维空间仅是人为想象
“对超弦理论,我不敢兴趣.”记者在采访中国科学院院士何祚庥时,他明确表示,这仅仅是人为的想象推断,根本没有讨论的必要和研究价值.
“我个人反对弦论研究者用这样肯定的口气说话.也许我们真的掌握了部分真理,也许我们一直以来仅仅是研究一个针尖上能有多少天使跳舞.”中国科学院理论物理所研究员李淼在其个人博客这样说道.
宇宙11维 根据90年代提出的M理论（超弦理论的一种）,宇宙是11维的,由震动的平面构成的.在爱因斯坦那里,宇宙只是4维的（3维空间和1维时间）,现代物理学则认为还有7维空间我们看不见. 科学家们对我们已认知的维与可能存在但未被认知的维之间的区别是如何解释的呢?他们打了一个比方：一只蚂蚁在一张纸上行走,它只能向右或向左,向前或向后走.对它来说高与低均无意义,这就是说,第3维的空间是存在的,但没有被蚂蚁所认识.同样,我们的世界是由4维构成的（3个空间维,1个时间维）,但我们没有觉察到所有其他的维. 根据物理学家的看法还应该有7个维.尽管有这么多的维,但这些维是看不见的,它们自身卷在了一起,被称为压缩的维.为了弄清这种看法,让我们再以蚂蚁为例展开我们的想像.我们可以设想一下,将蚂蚁在上面行走的那张纸卷起来,直到卷成一个圆筒形.如果蚂蚁沿着的纸壁走,最后它又会回到出发点,这就是压缩维的一个例子.如果能沿着著名的麦比乌斯带走,也会发生上述现象,当然,它是3维的,但如果沿着它走过,总是会回到出发点的.麦比乌斯带从维的角度讲是压缩的,按照物理学它有3个维,但谁在上面行走,都只能认知人一个维.这就有点像左图上的人：上行或者下行,但永远不会走到尽头.如果蚂蚁不是沿着纸筒弯曲的壁行走,它就永远不会返回到原出发点.这就是2维（或者说被我们所感知的那种维）的例子,沿着它一直走,就不可能返回到原来的出发点
▲卡鲁扎－克莱因理论
广义相对论用的曲率来描述引力.阿尔伯特·爱因斯坦提出这一概念后不久,就发现用与爱因斯坦广义相对论方程式等效的方程式来描述五维曲率时,就得到我们熟知的、与麦克斯韦电磁场方程式并列的爱因斯坦理论中的场方程式.几年以后的1920年代,引力和电磁场这种五维形式的统一甚至推广到包括了量子效应,这就是后来以两位开创此项研究的先驱科学家姓氏命名的卡鲁扎－克莱因理论.
计算中涉及增加额外维度的所有理论现在都叫做卡鲁扎－克莱因理论,但这种处理方法长期无人采用,因为,要把卡鲁扎－克莱因理论最初获得成功后就发现了的更复杂的弱和强相互作用效应包括进来,它要求的就不是一个而是好几个‘额外’维度.如果说光子是第五维度中的涟漪,那么(粗略地说)Z粒子就可以看成是第六维度中的涟漪,等等.
有两个原因使这类理论在1980年代再次流行.第一,构建大统一理论的尝试复杂到了令人厌烦的程度,其中有一些看来无论如何也必须增加额外维度才能进行下去.既然总归需要很多额外维度,为什么不用卡鲁扎－克莱因的办法呢?第二,数学物理学家开始对弦理论感兴趣,在弦理论看来,人们习惯视为点状粒子的实体可描述成一维‘弦’的细小片断(远远小于质子).弦理论也只有在很多维度下才能‘工作’,但它给我们极为丰厚的回报——引力.
理论家们以推导各种描述这类多维弦相互作用的方程式自娱,他们发现有些方程式描述的封闭弦环正好具有引力描述所要求的性质——弦环实际上就是引力子.
▲弦理论
弦理论（string theory）是理论物理学上的一门学说.弦论的一个基本观点就是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子.这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或闭弦）,闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子.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.
▲超弦理论、M理论和黑洞物理学
超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果.爱因斯坦建立相对论之后自然地想到要统一当时公知的两种相互作用－－万有引力和电磁力.他花费了后半生近40年的主要精力去寻求和建立一个统一理论,但没有成功.现在回过头来看历史,爱因斯坦的失败并不奇怪.实际上自然界还存在另外两种相互作用力－－弱力和强力.现在已经知道,自然界中总共4种相互作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述,电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换“量子”来解释的.但是,引力的形成完全是另一回事,爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的.在这一图像中,弥漫在空间中的物质使空间弯曲了,而弯曲的空间决定粒子的运动.人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力,这时物质交换的“量子”称为引力子,但这一尝试却遇到了原则上的困难－－量子化后的广义相对论是不可重整的,因此,量子化和广义相对论是相互不自洽的.
目前,超弦理论最引人注目,但它距完成超对称统一理论还相当遥远.粒子理论的一个重要探索方向是关于超对称统一理论的研究,其目标一是把大统一理论扩大到包括万有引力在内,从而把四种基本相互作用统一到一起来；二是探索夸克和轻子的内部结构,提出“亚夸克”模型,从而把自旋为半整数的费米子和自旋为整数的玻色子统一到一起.
超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论,自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式.与以往量子场论和规范理论不同的是,超弦理论要求引力存在,也要求规范原理和超对称.毫无疑问,将引力和其他由规范场引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的特点之一.因此,从1984年底开始,当人们认识到超弦理论可以给出一个包容标准模型的统一理论之后,一大批才华横溢的年轻人自然地投身到超弦理论的研究中去了.
经过人们的研究发现,在十维空间中,实际上有5种自洽的超弦理论,它们分别是两个IIA和IIB,一个规范为Apin(32)/Z2的杂化弦理论,一个规范群为E8×E8的杂化弦理论和一个规范为SO（32）的I型弦理论.对一个统一理论来说,5种可能性还是稍嫌多了一些.因此,过去一直有一些从更一般的理论导出这些超弦理论的尝试,但直到1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像.
所有的五种超弦理论和M理论都是一个埸基本的理论的不同极限
这一图像可以有用上图来表示.存在一个唯一的理论,姑且称其为M理论.M理论有一个很大的模空间（各种可能的真空构成的空间）.5种已知的超弦理论和十一维超引力都是M理论的某些极限区域或是模空间的边界点（图中的尖点）.有关超弦对偶性的研究告诉我们,没有模空间中的哪一区域是有别于其他区域而显得更为重要和基本的,每一区域都仅仅是能较好地描述M理论的一部分性质.但是,在将这些不同的描述自洽地柔合起来的过程中我闪也学到了对偶性和M理论的许多奇妙性质,尤其是各种D－膜相互转换的性质.
在此我们不得不提到超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射,这是第一次从微观理论出发,利用统计物理和量子力学的基本原理,严格了导出了宏观物体黑洞的熵和辐射公式,毫无疑问地确立了超弦理论是一个关于引力和其他相互作用力的正确理论
将5种超弦理论和十一维超引力统一到M理论无疑是成功的,但同是也向人们提出了更大的挑战.M理论在提出时并没有一个严格的数学表述,因此寻找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点.
道格拉斯（Douglas,MR）等人仔细研究了D－膜的性质,发现了在极短距离下,D－膜间的相互作用可以完全由规范理论来描述,这些相互作用也包括引力相互作用.因此,极短距离下的引力相互作用实际上是规范理论的量子效应.基于这些结果,班克（Banks,T）等人提出了用零维D－膜（也称点D－膜）作为基本自由度的M理论的一种基本表述－－矩阵理论.
矩阵理论是M理论的非微扰的拉氏量表述,这一表述要求选取光锥坐标系和真空背景至少有6个渐近平坦的方向.利用这一表述已经证明了许多偶性猜测,得到了一类新的没有引力相互作用的具有洛仑兹不变的理论.如果我们将注意力放在能量为1/N量级的态（N为矩阵的行数或列数）,在N趋于无穷大的极限下,可以导出一类通常的规范场理论.许多迹象表明,在大N极限下,理论将变得更简单,许多有限N下的自由度将不与物理的自由度耦合,因而可以完全忽略.所有这些结论都是在光锥坐标系和有限N下得到的,可以预期一个明显洛仑兹不变的表述将是研究上述问题极有力的工具.具体来说,人们期望在如下问题的研究上取得进展：
（1）全同粒子的统计规范对称性应从一个更大的连续的规范对称性导出.
（2）时空的存在应与超对称理论中玻色子和费米子贡献相消相关联.
（3）当我们紧致化更多维数时,理论中将出现更多的自由度,如何从量子场论的观点理解这一奇怪的性质?
（4）有效引力理论的短距离（紫外）发散实际上是某些略去的自由度的红外发散,这些自由度对应于延伸在两粒子间的一维D－膜,从场论的观点来看,这此自由度的性质是非常奇怪的.
（5）将M理论与宇宙学联系起来.
显然,没有太多的理由认为矩阵理论是M理论的一个完美的表述.值得注意的是矩阵理论的确给出了许多有意义的结果,因此也必定有其物理上合理的成分,这很像本世纪初量子力学完全建立前的时期（那时,普良克提出能量量子导出黑体辐射公式,玻尔提出轨道量子化给出氢原子光谱）,一些有关一个全新理论的迹象和物理内涵已经被人们发现了.但是,我们离真正建立一个完美自洽M理论还相距甚远,因此有必要从超弦理论出发更多更深地发掘其内涵.在这方面,超弦理论的研究又有了新的突破.
1997年底,马尔达塞纳（Maldacena）基于D－膜的近视界几何的研究发现,紧化在AdS5×S5上的IIB型超弦理论与大NSU（N）超对称规范理论是对偶的,有望解决强耦合规范场论方面一些基本问题如夸克禁闭和手征对称破缺.早在70年代,特胡夫特（´tHooft）就提出：在大N情况下,规范场论中的平面费曼图将给出主要贡献,从这一结论出发,波利考夫（Polyakov）早就猜测大N规范场论可以用（非临界）弦理论来描述,现在马尔塞纳的发现将理论和规范理论更加具体化了.1968年维内齐诺（Veneziano）为了解决相互作用而提出了弦理论,发现弦理论是一个可以用来统一四种相互作用力的统一理论,对偶性的研究引出了M理论,现在马尔达塞纳的研究又将M理论和超弦理论与规范理论（可以用来描叙强相互作用）联系起来,从某种意义上来说,我们又回到了强相互作用的这一点,显然我们对强相互作用的认识有了极大的提高,但是我们仍没有完全解决强相互作用的问题,也没有解决四种相互作用力的统一问题,因此对M理论、超弦理论和规范理论的研究仍是一个长期和非常困难的问题.
小结
这样,半个世纪以来,物理科学发展的道路上留下了许多物理学家探索大统一理论的足迹.但是迄今为止,实际上当今世界上的人们向这方面的任何发展都遇到了阻力,谁也尚未能取得统一场论（大统一理论）的真正成功.对此,有的人甚至说,就是归并成功了,达到了人们所期待的单一化了,也无人能断言,它将成为包罗万象和综合性的科学思想兴趣的第一个现象.
然而,现在真正成为问题的是我们这里的一个十分逆反的观点：所谓大统一理论,首先反映的只是人们有关物理学方面的一个思想意向和主观愿望；至于真正的大统一理论内容究竟是什么或怎么样,到目前为止可能谁也不知道.而且我们还认为这是目前一个关于大统一理论问题的最基本的思想认识；离开了这个最基本的思想认识,一切大统一理论的基本认识都将是脱离实际的.因此前面介绍的那些人们关于统一场论的探索,可能只是人们在跟着感觉走,而事情的一个本来面目,则还远未被人们所了解.比如,一个极其严重的问题可能是,统一场理论或大统一理论,不一定就是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用这四种自然力在现行物理学基础上的机械统一；一个把全部物理学都汇合在一个大综合体里的大统一理论,也不一定是应用数学方法（包括重整化方法）把现成物理学知识做统一性的机械组合,等等.总之,我们估计,人们曾经的统一场理论研究,完全有可能在问题研究的对象、方法、立场和角度的出发点地方,一开始就弄错了.而如果我们要达到大统一理论的研究成功,那就可能首先要探索一条与客观事实相适应的物理学发展新道路.附：真空中单位统一表：
项目 SS制 SM制 SI制 真空中关系
引力 s-2 m-2 N s-2=C-2m-2=HC-1N
速度 s/s ms-1 ms-1 s=Cm
加速度 s-1 ms-2 ms-2 s-1=Cms-2
质量 s-1 m-3s2 kg s-1=C-3m-3s2=HC-2kg
冲动量 s-1 m-2s Ns=kg ms-1 s-1=C-2m-2s=HC-1Ns
能量 s-1 m-1 Nm s-1=C-1m-1=HNm
动能 s-1 m-1 J s-1=C-1m-1=HJ
磁势能 s-1 s-1 J s-1=HJ=HKVe
电势能 s-1 s-1 Ve s-1=HJ=HKVe
电量 e 个 个 e=1.6*10-19K=1
注：1,C=3*108；H=6.63*10-27；K=库仑=6.25*1018；
2,时空曲度为Q的引力场中单位关系C’=C/Q,如：
s-1= Q3C-3m-3s2= Q2HC-2kg.
根据爱因斯坦相对论我们不能超越光速
除了四维时空,另有六个人类未知的空间维度.
我们都知道,自己生活在三维空间之中,如果加上时间,那么是四维时空.可有科学家称,还有另外六个空间维度是人类至今不知的.
来自2007年2月2日的《物理评论快报》的一则消息称：威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家从太空中寻找灵感,提出了这样的一个假设,在物理学“弦论”的基础下,人类的世界并不完整.除了三维空间和时间之外,还应该存在另外六个空间维度.这些“隐藏”的空间维度以极其微小的几何形状卷曲在我们宇宙的每一个点中.六维空间可以接纳任何可能的形状,而且都与其自身的世界相一致,具有其自身的物理学规律.
这无疑像一颗重磅炸弹落在物理学界.如果真的有六维空间存在,那么爱因斯坦的“相对论”就显示了其理论自身的不完善.
对于人类而言,我们习惯了三维空间的概念,如何能想象和接受六维空间?这神秘的六维几何体到底是怎么样的形状?难以捉摸的六维空间确实存在吗?
[编辑本段]人类为什么看不见其它六维
中国科学院理论物理所朱传界教授告诉记者,“宇宙应该是十维的”是根据一种超弦理论的论证,科学家通过数学方程计算得出的结论.就目前而言,人们只了解一维直线、二维平面、三维空间以及爱因斯坦提及的“四维时空”概念.除此之外,“超弦理论”预测还应该存在另外六个人类未知的空间维度.
那为什么另外六个空间维度看不见呢?
朱教授以水管为例说,当人们站在这根水管的正面看时,水管就是一条直线,我们就只看到了它的前后,它就是一维的.当人们站在一个平面里,看这根水管,就能看到水管的上下左右,那么人们就看到了它就是二维的.当人们在一个立体的空间里看这个水管,它的前后、左右、上下都收纳在我们的眼中,那么它就是三维的.
可如果人们把这根水管放在两维的平面中,然后又把这个两维的平面放在三维空间中,那么会是什么样的呢?于是,科学家把水管想象成像一根头发丝那样细.科学家认为,六个“隐藏”的空间维度,以极其微小的几何形状,卷曲在我们宇宙的每一个点中.
这种观察六维形状的方法之所以被发表在《物理评论快报》上,是因为这种方法能证明通过实验数据来观察这些难以捉摸的维度形状特征是可行的.同时,六维空间的存在也是证实“超弦理论”的主要方面.
[编辑本段]观点交锋
六维空间究竟存不存在
从广袤星系到亚原子微粒,“超弦理论”囊括了所有物体的物理学规律.几十年来,关于“超弦理论”,很多科学家都争论不休,赞同的、反对的,各种声音都有.
拥护者：
没有一个意见能够反驳
不少超弦理论的拥护者表示,目前还没有一个持反对意见者能驳倒它.一旦验证“超弦理论”是正确的,那么人们就能通过解密它们对130亿年前宇宙大爆炸释放的宇宙能有所了解,借助时间机器,穿越黑洞后,“看见”神秘的六维几何体.
“不过,你也不用为看不见十维的世界而感到担忧.”威斯康星大学麦迪逊分校的这位物理学家说,“因为我们的大脑习惯于只是三维的空间,而对于其他六维空间结构却很难感知.虽然科学家们利用计算机模拟出了类似的六维几何体,但没有人能够确切地知道他们的形状到底是怎么样的.”
他说,“我们的想法就是回到那个时候看看到底发生了什么事情,当然我们不可能真的回去.”
很多科幻爱好者都梦想着搭乘时间机器遨游时空,有些科学家也尝试着用最新的原理来证明时间旅行的可行性,也试着用“超弦理论”来讨论它.
因为缺少必要的时间机器,他们使用了另外一个最好的东西,一幅宇宙大爆炸释放的宇宙能量图.这种爆炸释放的能量在随后的130亿年里其实都没有发生变化,它可以被卫星捕捉到,比如美国的威尔金森微波各向异性探测器.通过绘制出宇宙能量图可以帮助人类对宇宙的雏形有一个大概的印象.
反对者：
六维空间仅是人为想象
“对超弦理论,我不敢兴趣.”记者在采访中国科学院院士何祚庥时,他明确表示,这仅仅是人为的想象推断,根本没有讨论的必要和研究价值.
“我个人反对弦论研究者用这样肯定的口气说话.也许我们真的掌握了部分真理,也许我们一直以来仅仅是研究一个针尖上能有多少天使跳舞.”中国科学院理论物理所研究员李淼在其个人博客这样说道.
宇宙11维 根据90年代提出的M理论（超弦理论的一种）,宇宙是11维的,由震动的平面构成的.在爱因斯坦那里,宇宙只是4维的（3维空间和1维时间）,现代物理学则认为还有7维空间我们看不见. 科学家们对我们已认知的维与可能存在但未被认知的维之间的区别是如何解释的呢?他们打了一个比方：一只蚂蚁在一张纸上行走,它只能向右或向左,向前或向后走.对它来说高与低均无意义,这就是说,第3维的空间是存在的,但没有被蚂蚁所认识.同样,我们的世界是由4维构成的（3个空间维,1个时间维）,但我们没有觉察到所有其他的维. 根据物理学家的看法还应该有7个维.尽管有这么多的维,但这些维是看不见的,它们自身卷在了一起,被称为压缩的维.为了弄清这种看法,让我们再以蚂蚁为例展开我们的想像.我们可以设想一下,将蚂蚁在上面行走的那张纸卷起来,直到卷成一个圆筒形.如果蚂蚁沿着的纸壁走,最后它又会回到出发点,这就是压缩维的一个例子.如果能沿着著名的麦比乌斯带走,也会发生上述现象,当然,它是3维的,但如果沿着它走过,总是会回到出发点的.麦比乌斯带从维的角度讲是压缩的,按照物理学它有3个维,但谁在上面行走,都只能认知人一个维.这就有点像左图上的人：上行或者下行,但永远不会走到尽头.如果蚂蚁不是沿着纸筒弯曲的壁行走,它就永远不会返回到原出发点.这就是2维（或者说被我们所感知的那种维）的例子,沿着它一直走,就不可能返回到原来的出发点
▲卡鲁扎－克莱因理论
广义相对论用的曲率来描述引力.阿尔伯特·爱因斯坦提出这一概念后不久,就发现用与爱因斯坦广义相对论方程式等效的方程式来描述五维曲率时,就得到我们熟知的、与麦克斯韦电磁场方程式并列的爱因斯坦理论中的场方程式.几年以后的1920年代,引力和电磁场这种五维形式的统一甚至推广到包括了量子效应,这就是后来以两位开创此项研究的先驱科学家姓氏命名的卡鲁扎－克莱因理论.
计算中涉及增加额外维度的所有理论现在都叫做卡鲁扎－克莱因理论,但这种处理方法长期无人采用,因为,要把卡鲁扎－克莱因理论最初获得成功后就发现了的更复杂的弱和强相互作用效应包括进来,它要求的就不是一个而是好几个‘额外’维度.如果说光子是第五维度中的涟漪,那么(粗略地说)Z粒子就可以看成是第六维度中的涟漪,等等.
有两个原因使这类理论在1980年代再次流行.第一,构建大统一理论的尝试复杂到了令人厌烦的程度,其中有一些看来无论如何也必须增加额外维度才能进行下去.既然总归需要很多额外维度,为什么不用卡鲁扎－克莱因的办法呢?第二,数学物理学家开始对弦理论感兴趣,在弦理论看来,人们习惯视为点状粒子的实体可描述成一维‘弦’的细小片断(远远小于质子).弦理论也只有在很多维度下才能‘工作’,但它给我们极为丰厚的回报——引力.
理论家们以推导各种描述这类多维弦相互作用的方程式自娱,他们发现有些方程式描述的封闭弦环正好具有引力描述所要求的性质——弦环实际上就是引力子.
▲弦理论
弦理论（string theory）是理论物理学上的一门学说.弦论的一个基本观点就是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子.这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或闭弦）,闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子.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.
▲超弦理论、M理论和黑洞物理学
超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果.爱因斯坦建立相对论之后自然地想到要统一当时公知的两种相互作用－－万有引力和电磁力.他花费了后半生近40年的主要精力去寻求和建立一个统一理论,但没有成功.现在回过头来看历史,爱因斯坦的失败并不奇怪.实际上自然界还存在另外两种相互作用力－－弱力和强力.现在已经知道,自然界中总共4种相互作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述,电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换“量子”来解释的.但是,引力的形成完全是另一回事,爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的.在这一图像中,弥漫在空间中的物质使空间弯曲了,而弯曲的空间决定粒子的运动.人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力,这时物质交换的“量子”称为引力子,但这一尝试却遇到了原则上的困难－－量子化后的广义相对论是不可重整的,因此,量子化和广义相对论是相互不自洽的.
目前,超弦理论最引人注目,但它距完成超对称统一理论还相当遥远.粒子理论的一个重要探索方向是关于超对称统一理论的研究,其目标一是把大统一理论扩大到包括万有引力在内,从而把四种基本相互作用统一到一起来；二是探索夸克和轻子的内部结构,提出“亚夸克”模型,从而把自旋为半整数的费米子和自旋为整数的玻色子统一到一起.
超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论,自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式.与以往量子场论和规范理论不同的是,超弦理论要求引力存在,也要求规范原理和超对称.毫无疑问,将引力和其他由规范场引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的特点之一.因此,从1984年底开始,当人们认识到超弦理论可以给出一个包容标准模型的统一理论之后,一大批才华横溢的年轻人自然地投身到超弦理论的研究中去了.
经过人们的研究发现,在十维空间中,实际上有5种自洽的超弦理论,它们分别是两个IIA和IIB,一个规范为Apin(32)/Z2的杂化弦理论,一个规范群为E8×E8的杂化弦理论和一个规范为SO（32）的I型弦理论.对一个统一理论来说,5种可能性还是稍嫌多了一些.因此,过去一直有一些从更一般的理论导出这些超弦理论的尝试,但直到1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像.
所有的五种超弦理论和M理论都是一个埸基本的理论的不同极限
这一图像可以有用上图来表示.存在一个唯一的理论,姑且称其为M理论.M理论有一个很大的模空间（各种可能的真空构成的空间）.5种已知的超弦理论和十一维超引力都是M理论的某些极限区域或是模空间的边界点（图中的尖点）.有关超弦对偶性的研究告诉我们,没有模空间中的哪一区域是有别于其他区域而显得更为重要和基本的,每一区域都仅仅是能较好地描述M理论的一部分性质.但是,在将这些不同的描述自洽地柔合起来的过程中我闪也学到了对偶性和M理论的许多奇妙性质,尤其是各种D－膜相互转换的性质.
在此我们不得不提到超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射,这是第一次从微观理论出发,利用统计物理和量子力学的基本原理,严格了导出了宏观物体黑洞的熵和辐射公式,毫无疑问地确立了超弦理论是一个关于引力和其他相互作用力的正确理论
将5种超弦理论和十一维超引力统一到M理论无疑是成功的,但同是也向人们提出了更大的挑战.M理论在提出时并没有一个严格的数学表述,因此寻找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点.
道格拉斯（Douglas,MR）等人仔细研究了D－膜的性质,发现了在极短距离下,D－膜间的相互作用可以完全由规范理论来描述,这些相互作用也包括引力相互作用.因此,极短距离下的引力相互作用实际上是规范理论的量子效应.基于这些结果,班克（Banks,T）等人提出了用零维D－膜（也称点D－膜）作为基本自由度的M理论的一种基本表述－－矩阵理论.
矩阵理论是M理论的非微扰的拉氏量表述,这一表述要求选取光锥坐标系和真空背景至少有6个渐近平坦的方向.利用这一表述已经证明了许多偶性猜测,得到了一类新的没有引力相互作用的具有洛仑兹不变的理论.如果我们将注意力放在能量为1/N量级的态（N为矩阵的行数或列数）,在N趋于无穷大的极限下,可以导出一类通常的规范场理论.许多迹象表明,在大N极限下,理论将变得更简单,许多有限N下的自由度将不与物理的自由度耦合,因而可以完全忽略.所有这些结论都是在光锥坐标系和有限N下得到的,可以预期一个明显洛仑兹不变的表述将是研究上述问题极有力的工具.具体来说,人们期望在如下问题的研究上取得进展：
（1）全同粒子的统计规范对称性应从一个更大的连续的规范对称性导出.
（2）时空的存在应与超对称理论中玻色子和费米子贡献相消相关联.
（3）当我们紧致化更多维数时,理论中将出现更多的自由度,如何从量子场论的观点理解这一奇怪的性质?
（4）有效引力理论的短距离（紫外）发散实际上是某些略去的自由度的红外发散,这些自由度对应于延伸在两粒子间的一维D－膜,从场论的观点来看,这此自由度的性质是非常奇怪的.
（5）将M理论与宇宙学联系起来.
显然,没有太多的理由认为矩阵理论是M理论的一个完美的表述.值得注意的是矩阵理论的确给出了许多有意义的结果,因此也必定有其物理上合理的成分,这很像本世纪初量子力学完全建立前的时期（那时,普良克提出能量量子导出黑体辐射公式,玻尔提出轨道量子化给出氢原子光谱）,一些有关一个全新理论的迹象和物理内涵已经被人们发现了.但是,我们离真正建立一个完美自洽M理论还相距甚远,因此有必要从超弦理论出发更多更深地发掘其内涵.在这方面,超弦理论的研究又有了新的突破.
1997年底,马尔达塞纳（Maldacena）基于D－膜的近视界几何的研究发现,紧化在AdS5×S5上的IIB型超弦理论与大NSU（N）超对称规范理论是对偶的,有望解决强耦合规范场论方面一些基本问题如夸克禁闭和手征对称破缺.早在70年代,特胡夫特（´tHooft）就提出：在大N情况下,规范场论中的平面费曼图将给出主要贡献,从这一结论出发,波利考夫（Polyakov）早就猜测大N规范场论可以用（非临界）弦理论来描述,现在马尔塞纳的发现将理论和规范理论更加具体化了.1968年维内齐诺（Veneziano）为了解决相互作用而提出了弦理论,发现弦理论是一个可以用来统一四种相互作用力的统一理论,对偶性的研究引出了M理论,现在马尔达塞纳的研究又将M理论和超弦理论与规范理论（可以用来描叙强相互作用）联系起来,从某种意义上来说,我们又回到了强相互作用的这一点,显然我们对强相互作用的认识有了极大的提高,但是我们仍没有完全解决强相互作用的问题,也没有解决四种相互作用力的统一问题,因此对M理论、超弦理论和规范理论的研究仍是一个长期和非常困难的问题.
小结
这样,半个世纪以来,物理科学发展的道路上留下了许多物理学家探索大统一理论的足迹.但是迄今为止,实际上当今世界上的人们向这方面的任何发展都遇到了阻力,谁也尚未能取得统一场论（大统一理论）的真正成功.对此,有的人甚至说,就是归并成功了,达到了人们所期待的单一化了,也无人能断言,它将成为包罗万象和综合性的科学思想兴趣的第一个现象.
然而,现在真正成为问题的是我们这里的一个十分逆反的观点：所谓大统一理论,首先反映的只是人们有关物理学方面的一个思想意向和主观愿望；至于真正的大统一理论内容究竟是什么或怎么样,到目前为止可能谁也不知道.而且我们还认为这是目前一个关于大统一理论问题的最基本的思想认识；离开了这个最基本的思想认识,一切大统一理论的基本认识都将是脱离实际的.因此前面介绍的那些人们关于统一场论的探索,可能只是人们在跟着感觉走,而事情的一个本来面目,则还远未被人们所了解.比如,一个极其严重的问题可能是,统一场理论或大统一理论,不一定就是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用这四种自然力在现行物理学基础上的机械统一；一个把全部物理学都汇合在一个大综合体里的大统一理论,也不一定是应用数学方法（包括重整化方法）把现成物理学知识做统一性的机械组合,等等.总之,我们估计,人们曾经的统一场理论研究,完全有可能在问题研究的对象、方法、立场和角度的出发点地方,一开始就弄错了.而如果我们要达到大统一理论的研究成功,那就可能首先要探索一条与客观事实相适应的物理学发展新道路.附：真空中单位统一表：
项目 SS制 SM制 SI制 真空中关系
引力 s-2 m-2 N s-2=C-2m-2=HC-1N
速度 s/s ms-1 ms-1 s=Cm
加速度 s-1 ms-2 ms-2 s-1=Cms-2
质量 s-1 m-3s2 kg s-1=C-3m-3s2=HC-2kg
冲动量 s-1 m-2s Ns=kg ms-1 s-1=C-2m-2s=HC-1Ns
能量 s-1 m-1 Nm s-1=C-1m-1=HNm
动能 s-1 m-1 J s-1=C-1m-1=HJ
磁势能 s-1 s-1 J s-1=HJ=HKVe
电势能 s-1 s-1 Ve s-1=HJ=HKVe
电量 e 个 个 e=1.6*10-19K=1
注：1,C=3*108；H=6.63*10-27；K=库仑=6.25*1018；
2,时空曲度为Q的引力场中单位关系C’=C/Q,如：
s-1= Q3C-3m-3s2= Q2HC-2kg.
根据爱因斯坦相对论我们不能超越光速