宇宙之始到底是什麼樣子？

　　物質的最小零件是弦？

　　宇宙萬物一切能用一個數學式闡明？

　　超弦理論就是終極理論？

 

　　愛因斯坦的相對論與多位科學家建立的量子論，是20世紀物理學的兩大革命。相對論是與時間、空間和重力相關的理論，量子論則說明了原子和基本粒子等微小粒子行為，前者為宏觀，後者是微觀，但兩大理論同時使用則會出現矛盾，於是誕生了超弦理論。科學家認為，超弦理論可能是解決宇宙萬物一切現象的終極理論。

    

　　本書先從超弦理論追求的支配宇宙萬物之數學式和物質的最小零件談起，引導讀者循序漸進認識弦的本質、超弦理論世界以及終極理論等入門知識。再透過訪談6位超弦理論科學家，深入解析超弦理論的額外維度之驗證、支配宇宙萬物之數學式。最後，更深入探討支配宇宙萬物之數學式。日本牛頓以精彩的圖解帶領讀者循序漸進理解內容，對於想了解這個領域的讀者，是很好的入門科普書。

 

　　內容分成四大部分：

　　1.超弦理論入門：

　　．弦的本質：涵蓋弦的性質、弦的振盪與質量。

　　．超弦理論的世界：涵蓋超弦理論的歷史、高維空間、超對稱性、膜。

　　．追求終極理論：涵蓋量子重力理論、宇宙之始、暗物質、超弦理論之證明及其擴展之應用例。

　　2.專訪三位科學家：更深入談論超弦理論，以及額外維度之驗證。

　　3.支配宇宙萬物的數學式：涵蓋重力的作用量、電磁力、弱力、強力、粒子與反粒子、質量的起源、湯川耦合、暗物質、力的統一、終極理論。

　　4.最後針對支配宇宙萬物的數學式等相關問題，訪談南部陽一郎、梶田隆章和村山齊三位科學家，深入解答如力的統一、標準理論等。

 

　　本書優點

 

　　1.本書最大特色是由6位科學家，從生活舉例，以感性與理性兩個觀點解釋超弦理論，化解物理學的艱澀，讓讀者猶如進入科幻之旅。

　　2.本書脈絡採用循序漸進、螺旋式學習法，有系統的鋪陳，能幫助正在學習中的學生理解超弦理論，也讓無基礎的讀者有其概念。

　　3.本書難得採訪南部陽一郎與梶田隆章這兩位榮獲諾貝爾獎的科學家，除了剖析超弦理論及其研究經歷外，也啟發讀者思維，促進對物理學的興趣。

 

系列特色

 

　　1.本書系來自日本牛頓出版社的科普書系列，一貫以精美插圖、珍貴照片以及電腦模擬圖像，來解說科學知識，深入淺出、淺顯易懂。

　　2.以一書一主題的系統化，縱向深入閱讀，橫向觸類旁通，主題涵蓋天文地理、生物、數學、物理、化學、工學、歷史、醫學藥學九大類。

　　3.總以各方角度來闡明各類科學疑問，啟發讀者對科學的探究興趣。

 

名人推薦

 

　　★台師大物理系教授，理論物理學家 林豐利老師 審定推薦


一、 超弦理論入門

序言

6 追求「終極的數學式」 ①∼②

10 物質的「最小零件」

弦的本質

12 弦的性質 ①∼②

16 弦的振盪

18 弦的振盪與質量 ①∼②

超弦理論的世界

22 超弦理論的歷史 ①∼②

26 高維空間 ①∼②

30超對稱性

32 膜 ①∼②

追求終極理論

36 量子重力理論

38 宇宙之始

40 暗物質

42 超弦理論的證明

44 擴展的應用例 ①∼②

 

二、 再更深入一點！超弦理論

專訪 

50 橋本幸士博士

超弦理論的下一個「革命」也許就發生在明天！

56 格林恩博士

超弦理論「傳道士」所提供的理論物理學現況

62 大栗博司博士

「萬物理論」的探索歷程

額外維度之驗證 

72 探索「看不見的維度」！

 

三、支配宇宙萬物的數學式

82 支配宇宙萬物的數學式 ①∼② 

86 第1項  重力的作用量 ①∼② 

90 第1項之前  重力的作用量 ③ 

92 第2項  電磁力、弱力、強力 ①∼② 

96 第3項  粒子與反粒子 ①∼② 

100 第4項、第5項  質量的起源 ①∼② 

104 第6項  湯川耦合 ①∼② 

作用量數學式的未來 

108 暗物質 ①∼②

112力的統一

114 終極理論

 

四、再更深入一點！支配宇宙萬物的數學式

專訪 

118 村山 齊博士

最終是希望能夠僅以一力，只用一個基本法則說明宇宙所有的現象

124 南部陽一郎博士

在荒蕪之地播種是一種快樂

130 梶田隆章博士

超越基本粒子之「標準理論」，開闢新的地平線


推薦序

 

　　套用疫情期間常聽到的「超前部署」一詞，超弦理論就是理論物理學家發展出來一套嘗試統合支配宇宙萬物法則的理論。因此曾有人說，超弦理論是被20世紀的物理學家意外發現但本應該出現在21世紀的理論。距離這個理論被第一次完整提出的1984年，已將近50年。如果回朔到更早時南部陽一郎與Leonard Susskind所提出的原始構想，早已超過半世紀。如今，超弦理論的發展面貌已經與一開始時大相徑庭。然而回顧初衷，這個理論依然還處在「超前部署」的階段。畢竟想要以實驗來驗證理論的預測或指導理論的進展，以目前高能物理實驗的前景來看，仍是遙不可及。但是另一方面，由超弦理論與全像原理所啟發的場論──重力對偶性經過多年的發展，已經為超弦理論的發展另闢蹊徑，應用於解決其他領域無法用微擾論處理的問題。這些成果也可以視為對超弦理論內在邏輯的實際檢驗。當然，超弦理論是否能夠作為支配宇宙萬物法則的終極理論，最終還是取決於未來可能的實驗檢證。

 

　　超弦理論所以能夠「超前部署」，主要是奠基於1980年代以前粒子物理取得的一系列進展，成就了粒子物理的標準模型，以及愛因斯坦相對論所預測的大爆炸宇宙論被觀測證實，成就了宇宙學的標準模型。這兩個標準模型的確立，使得當時整個物理學界瀰漫了樂觀氣氛，甚至有些人認為離物理學的終結不遠了。超弦理論就是這種氛圍下誕生，被期待用來統合這兩個標準模型的理論基礎所提出來的萬物理論 (Theory of Everything)。

 

　　本書詳細地介紹了相關理論的各個主要部分，包括兩個標準模型的理論作用量，以及超弦理論的出發點、超對稱、膜等等。此外，內容中還有對幾位傑出的物理學家的訪問內容，包括2008年的諾貝爾獎得主南部陽一郎、2015年諾貝爾獎得主梶田隆章、超弦理論的知名科普作家Brian Greene以及其他知名的日本物理學家如大栗博司等。從這些訪問內容以及本書的精美程度，也可以看出日本深厚的科學傳統，並致力於提升全民科學素養的努力。

 

　　另外，參與日文版編著的橋本幸士，與筆者是同行，也是合作者。他多年來始終如一地推動超弦理論的科普，熱情令人感動。也由於他細膩地穿針引線，才使得本書的內容如此精彩透徹。本人也很高興能參與審訂，為中文版出一份力。儘管超弦理論還未完善，但其精深的程度，無愧是當代理論物理學的一顆耀眼明珠。希望這本書能啟發某些小讀者，使他們將來能夠為完善這個理論貢獻心力。


林豐利

台師大物理系教授，理論物理學家