你真的了解我們這個世界？超弦理論的前世今生

知識 02-26

最近突然對物理學發展的歷史非常感興趣，而作為『萬有理論』的候選理論之一的超弦理論，也許很多人還不太了解，但是也許即將在不久的二十年內，也許這個理論有理由完全顛覆目前我們對於物質與宇宙的認知，讓我們更能深刻的洞察到萬物的本質。

弦理論的起源

所有的故事，其實都起源於愛因斯坦發布的狹義相對論和廣義相對論。相對論的提出，對於引力場有了完美的詮釋，但是如何能夠與之前的麥克斯韋的電磁力統一？1926年，愛因斯坦的同事克魯扎首先發表了一篇論文，而後波爾的同事對克魯扎的論文進行了改進，通過在原有的四維時空的基礎上，引入新的一維空間，從而能夠綜合愛因斯坦的重力方程式與麥克斯韋的電磁學方程式；這個理論就稱為克魯扎-克萊因理論，並且在改理論中，認為多出的一維空間只存在於微觀結構之下，因此在現實世界中無法觀察。然而由於當時的科學家對於這種無法觀測的高維理論缺乏興趣，同時適逢量子理論的誕生，因此科魯茲-克萊因理論無疾而終，但是這種高維捲曲的思想，卻成為了後續弦理論的思想基礎，顛覆了所有人的時空觀。

弦理論的第一次露面

真正弦理論的誕生要到大概接近半個世紀以後。1968年，為了解釋當時發現的核間的強相互作用力，義大利的物理學家維亞那多(Gabriel Veneziano）偶然發現了通過歐拉Beta函數，可以非常完美的描述幾乎所有的粒子間強相互作用的規律（角動量與質量平方之間成正比的關係，即一條直線）。根據維亞那多的模型，粒子可以視為粒子可以視為在某空間的延伸量，就是一條線段，或者一條弦。這些弦由兩個反方向的力保持了微妙的平衡，一個是張力，使得弦的兩端靠近；一個加速力，會使弦的兩端分離。做一個近似的類比：弦就類似於飛機的螺旋槳，隨時隨地都在轉動；離心力使得弦的兩端在分離，而向內的張力，則保持了弦的平衡。

弦理論的提出，給物理學家提出了一種嶄新的物質觀，以前我們都把物質的基點看做一個無限小的質點，而弦理論則將其看做一條一維足夠細小的線段；並且根據早期的弦理論，基於數學推導的原因，為了實現理論的自洽，需要擴展到高達26維的空間上才行；這就讓弦理論成為一種玄學，當時的物理學家對於這種如此高維的時空，根本毫無概念，也無法通過試驗方法對這個理論進行證偽；一個無法證偽的理論，當然也無法認可為是一個有效的物理理論。

同時當時量子色動力學的問世，能夠完美的解釋粒子的強相互作用，成就了弦理論的初衷，因此量子色動力學自然就逐漸搶了弦理論的風頭，弦理論再次被大家扔到了故紙堆中。而量子色動力學則逐漸完善，最終發展了標準模型理論，能夠實現對電磁力、強相互作用力、弱相互作用力進行統一的解釋，並且能夠通過物理實驗加以驗證，成為在當前粒子理論物理學的主流理論。

不過，雖然標準模型不論從理論上，還是實驗上都能對物質有非常完美的解釋，以及精確的語言，但是為了從數學的角度來講，這卻並不是一個具有『美』感的理論；為了解釋物質及其相互作用力，標準粒子模型構建了61種粒子模型，分為了費米子和波色子兩類；如果再包括重力子，則總的粒子數達到了62種之多。各種物質，及其相互之間的作用力，都是由這62道食材拼湊的結果，所以這個理論也是名副其實的雜盤理論。

所以很多物理學家語言，標準粒子模型並非終極的物理理論，而極大可能是這個終極理論的中間態。

弦理論的第一次革命

雖然弦論被大多數的物理學所鄙視，但是它本身所具備的數學美感，卻仍然讓少數的物理學家對它痴迷；在這個過程中，物理學家通過弦理論已經很好的解釋了波色子，在1970年，史瓦茲(John Schwarz )和他的同事南夫(Andre Neveu)發現可以描述費米子的弦論；但是這個描述費米子的弦理論卻產生了一些實驗上無法驗證的粒子。這種粒子具有靜態質量為零，但是擁有的自旋數為2.經過一段時間的研究，才發現這個粒子的描述，就是對量子重力場理論中假設的重力子的描述，從而發現了弦理論對重力場的微妙關係。

1984年，弦理論迎來了它從發現以來後的第一次革命。史瓦茲和格林在自己1980年發布的基於十維時空模型的超弦理論中，引入了超對稱的微空間模型-卡拉比-邱空間模型，從而消除了以往對於重力場量子化後，產生的發散（無窮大）問題。

在這個最新的超弦理論中，為了從數學上實現物理理論的自洽，將我們的四維時空擴展為了十維時空，那為什麼我們無法感知到另外的六維空間呢？物理學家給出的解釋是額外的六維空間只存在微觀結構中。這個思想完美的繼承了最早科魯茲-克萊因理論的五維時空的觀點。由於微觀結構的尺度（普朗克尺度以下）太過微小，因此我們無法觀測到更高維的空間。常常類比的一個例子就是對於一個具有粗細的水管，如果觀察的距離足夠遠，我們能看到的也只是一條一維的細線。這個理論是物理和數學理論的一次完美的結合，通過這個具有超對稱結構的超弦理論，至少從數學上可以實現對目前已知的物質和物質的相互作用進行統一的描述。

然而隨著大家對超弦理論的深入研究，發現具有如下的事實：如果物質可以通過一維的弦來描述，但隨著時間的變化，弦掃過的面是一個二維的面，甚至可以是多維的體，那是否可以由這些面或者體對物質進行描述呢？通過一段時間的發展，基於上面的思路，逐漸就形成了五種至少在物理理論上可以自洽的弦理論：Type I、雜優弦、Type II A、Type II B。

如果作為終極理論，弦理論存在五個，這個貌似多了一點，由於目前的技術限制，也無法通過實驗的方式去判斷這五個理論誰對誰錯？

而作為引入了超對稱的概念的超弦理論，也無法解釋為什麼超對稱理論允許十一維，但是我們的超弦理論卻只有十維。

弦理論的第二次革命

帶著這些問題，弦理論終於在1991年迎來了它的二次革命。

超弦理論的第二次革命是伴隨著對偶性的發現而發生的。首先是T對偶過程的發現，將雜優弦、兩種Type II型的弦理論進行了統一，而S對偶的發現，則將Type I型弦理論與雜優弦進行了統一。然而是否有一種理論能夠最終統一這五種原始的超弦理論？

1995年，南加州大學的物理學家威頓（Edward Witten）提出了在各種維數下超弦理論的動力學機制，從而系統性繪製了五種弦理論的統一的圖像，從而提出了M理論。M理論是十維弦理論在是是十一維的擴展，它的終極目標是最終完成愛因斯坦在半個世紀前的遺願：通過一個規律描述已知的所有力（電磁力、引力、強相互作用力、弱相互作用力）。

並且隨著M理論的不斷完善，也已經取得了很多令人振奮的成果。