[论文解读] Comments On String Theory

Edward Witten|ArXiv.org|Dec 19, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用 71

一句话总结

本文主张，弦理论自然地统一了引力、规范场论和超对称性，其中超对称性作为弦量子化的结果而出现。它认为，如果弦理论正确，那么在低能量子引力模型中，TeV尺度的超对称性和磁单极子是不可避免的，且实验发现TeV尺度的统一将同时揭示超对称性，从而为弦理论提供强有力的支持。

ABSTRACT

String theory avoids the ultraviolet infinities that arise in trying to quantize gravity. It is also more predictive than conventional quantum field theory, one aspect of this being the way that it contributed to the emergence of the concept of ``supersymmetry'' of particle interactions. There are hints from the successes of supersymmetric unified theories of particle interactions that supersymmetry is relevant to elementary particles at energies close to current accelerator energies; if this is so, it will be confirmed experimentally and supersymmetry is then also likely to be important in cosmology, in connection with dark matter, baryogenesis, and/or inflation. Magnetic monopoles play an important role in the structure of string theory, and thus should certainly exist, if string theory is correct, though they may have been diluted by inflation to an unobservable level. The monopole mass in many attractive models is near the Planck mass, but, if unification of elementary particle forces with gravity occurs near TeV energies through large or warped extra dimensions, as in some recent models, then monopoles should be below 100 TeV and in an astrophysical context would be ultrarelativistic. In such models, supersymmetry would definitely be expected at TeV energies.

研究动机与目标

• 解释弦理论如何通过将点粒子替换为振动弦来解决量子引力中的紫外发散问题。
• 论证超对称性、规范对称性和引力均源自弦的基本结构，而非分别假设。
• 探讨引力与标准模型在低能下统一对超对称性和磁单极子存在的影响。
• 评估标量场、偏离牛顿定律的偏差以及宇宙弦等弦论现象的可探测性。
• 考察在存在大额外维度或翘翘曲额外维度的模型中，超对称性、宇宙学与实验信号之间的相互作用。

提出的方法

• 通过分析弦的世界面动力学，从弦的振动模式推导出引力、规范场和超对称性的出现。
• 利用弦图中不存在确定的相互作用顶点，表明相互作用由弦的世界面几何动态决定。
• 应用相对论性弦的量子化，证明闭弦的基态是一种无质量自旋-2粒子（引力子），从而确认了量子引力。
• 考察超对称性通过抵消希格斯质量中的二次发散来解决层次问题的作用。
• 评估在超对称性和大统一理论下耦合常数的统一，观测结果与预测在1%水平上一致。
• 使用 Gedanken 实验和翘翘曲几何模型（例如 Giddings 和 DeWolfe 的模型）表明，若弦理论正确，则TeV尺度的统一意味着TeV尺度的超对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 弦理论如何解决传统方法中量子引力所面临的紫外发散问题？
• RQ2 为何闭弦的基态对应于引力子？这如何导致一个一致的量子引力理论？
• RQ3 弦理论以何种方式自然地生成规范对称性和超对称性？它们如何从弦的振动谱中出现？
• RQ4 在低能量子引力模型中，超对称性和磁单极子的宇宙学与天体物理信号是什么？
• RQ5 在TeV尺度发现统一是否能同时确认超对称性？这对弦理论的有效性意味着什么？

主要发现

• 闭弦的基态是一种无质量自旋-2粒子，被识别为引力子，证实弦理论提供了量子引力理论。
• 弦理论通过弦的延展性弥散相互作用顶点，消除了紫外发散，这与点粒子量子场论不同。
• 开弦的基态是一种规范场，表明规范对称性自然地从弦的动力学中出现。
• 超对称性作为Ramond模型中世界面超对称性的结果而出现，其自发破缺可能解决层次问题。
• 强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的耦合常数测量值与超对称大统一理论的预测在1%水平上一致。
• 在TeV尺度量子引力的模型中，如具有翘翘曲额外维度的模型，即使未由统一本身要求，也预测超对称性将出现在TeV尺度。