首先,量子弦的尺度有限。如果不考虑量子效应,一根小提琴弦可以一分为二,再一分为二,这样一直分割下去,直至最后变成一些无质量的点状粒子。但是分割到一定程度,海森堡的测不准原理就会介入,防止最轻的弦被分割到10*-34米以下。这个不能再分割的长度量子,用ls表示,是弦论引入的一个全新的自然常数,与光速C和普朗克常数h并列。它在弦论的几乎所有方面都起着决定性的作用,为各种物理量设定了上下限,防止它们变成零或无穷大。
其次,就算没有质量的量子弦,也可以有角动量。在经典物理学中,角动量是绕轴旋转的物体所具有的一种性质。计算角动量的公式是速度、质量以及物体到转轴距离三者之乘积,因此无质量的物体不可能具有角动量。但在微观世界中,由于存在量子涨落,情况有所不同。一根微小的弦即使没有任何质量,也可以获得不超过2h的角动量。这一性质令物理学家喜出望外,因为它同所有已知的基本作用力载体(如传播电磁力的光子或者传播引子的引力子)的性质不谋而合。回顾历史,正是角动量让物理学家注意到弦论中含有量子引力。
第三,量子弦要求在通常的3维之外,还存在额外的空间维度。经典的小提琴弦,不管时空的性质如何,都可以振动,而量子弦就挑剔多了。要使描述量子弦振动的方程能够自洽,时空必须是高度弯曲的(这与观测结果相矛盾),否则它就应该含有6个额外的空间维。
第四,物理常数(出现在物理方程中并决定自然界性质,例如牛顿常数与库仑常数)不再具有任意给定的固定值。它们在弦论中以场的形式出现,就如电磁场一样,可以动态地调整它们的数值。在不同的宇宙时期或者在相隔遥远的空间区域,这些场可能取不同的值;即使到了今天,这些常数可能还会有微小幅度的变化。只要观测到任何这类变化,可就是弦论的一大进展了[相关文章即将在本刊登载]。
这其中的所谓“膨胀子场”是整个弦论的关键,它决定了所有作用力的总强度。弦论学家对膨胀子特别感兴趣,因为它的量值可以重新解释为一个额外空间维的尺度,从而给出一个11维时空。
系紧松头
量子弦使物理学家最终认识到,自然界存在新的重要对称,称为“对偶性”(duality),它改变了我们对尺度极小的微观世界的直觉。我曾提到一种对偶性:通常情况下弦越短便越轻,但如果我们想要把弦的长度缩短到基本长度ls以下,那么弦反而会重新变重。
另一种对称称为T对偶性,它指出,额外的维度都是等价的,而与其尺度无关。之所以会出现这种对称,是因为弦的运动方式可以比点状粒子更复杂。试考虑一个圆柱状空间上的一根闭合弦(称为圈),此空间的圆形横截面代表一个有限的额外维。除了振动之外,该弦还能整个地绕圆柱转动,或者缠绕于圆柱一圈或数圈,就象橡皮筋绕在纸筒上一样[见40页图文]。









