比10維弦理論更高級！11維M理論能否扛起「萬有理論」的大旗

步入21世紀，物理學上空依舊瀰漫著烏雲！除了暗物質，相對論和量子力學這兩座大山依舊無法完全兼容。當然，量子電動力學和狹義相對論可以很好地兼容，比如描述微觀粒子相對論效應的狄拉克方程式已經解決了許多實際問題。問題的關鍵點就在描述引力的廣義相對論和量子力學無法兼容。

在愛因斯坦活著的時候，強力和弱力還未被提出，那時候他老人家主要著手統一引力和電磁力，也就是大一統理論。

但愛因斯坦晚年在大一統理論並沒有較大建樹。此後物理學的發展超過愛因斯坦的想像。後來物理學家發現了強力和弱力，大一統理論也並不是簡單地只統一引力和電磁力。

四大基本作用力

到上個世紀70年代，科學家基本確定自然世界包含四種基本作用力，按強度排序依次是強力、電磁力、弱力、引力。前三種力都是量子力學的管轄範圍，只有引力最特殊。

弦理論最早的靈感來源於物理學家對強力的解釋

強力主要負責拉攏夸克，殘留的強力形成拉攏中子和質子的核力。

其實除了引力，其他三種力的作用都發現了相應的傳播子，比如強力傳播子是膠子，弱力傳播子是W 、W-、Z玻色子，電磁力是光子。這些傳播子統一屬於玻色子。由此可以推斷，尚未被發現的引力子也應該屬於玻色子。

如果你現在試問，傳播子是由什麼構成的？量子力學是無法回答的，因為它們屬於基本粒子，也就說內部結構未知或者不可再分。你或許自問過：夸克之下是什麼？沒有人能給你準確的答案，包括物理學家！

但是總有一部分科學家可以給出你猜測性的答案，他們認為眾多的基本粒子和它們之間複雜的相互作用，以及至今神秘的引力子必然在更微觀的尺度上存在答案。

要解開這個答案的理論就是弦理論，現在被確定為0維度的基本粒子在弦理論中是一維膜振動的結果。其實膜本身是二維的，一維的膜就是弦。

弦理論認為傳遞強力，弱力的玻色子是開弦的。開弦就相當非閉合的繩子，並存在兩個端點，一維膜（弦）的兩個端點被二維膜給擠壓了，導致弦形成的基本粒子不可在空間自由移動，只能被封閉在特殊的時空中。

所以除了引力，其他三種力只是局域性傳遞作用。比如強力被鎖死在原子核內，出了原子核，強力就沒有了。

弦論可以解決這樣一個問題：為什麼在四個基本作用中，就引力是最普遍的力？那按道理來說，引力子就應該充斥在整個宇宙空間。這就意味著形成引力子的弦振動不受到二維膜的擠壓。那麼就可以反推出構成引力子的弦就是閉弦。因為只有閉弦才沒有端點，二維膜想擠壓弦的端點也找不到把柄。

開弦兩端被二維膜堵住了，而閉弦不受影響

這樣一來閉弦形成的引力子就可以在時空中自由穿梭，宇宙空間充滿了傳播引力的引力子，所以引力也就成為宇宙中作用範圍最普遍的力。

事實上，很多問題是弦理論不可以解決的，其中一個棘手問題是：弦論該如何解釋玻色子和費米子的相互轉化？

我們可以按照粒子的屬性劃分成兩大類

第一類是組成物質結構的粒子，第二類是負責傳遞力的粒子。

第一類就是費米子，包括夸克和輕子。第二類就是玻色子，準確來說是規範玻色子。

這兩類粒子都是構成世界不可或缺的粒子。費米子就好似是蓋樓用到磚塊，傳遞力的規範玻色子就好似是把磚塊粘在一起的膠水。沒有規範玻色子，費米子就零散一堆，也不可能組合成大千世界。

科學家認為玻色子和費米子之間在更微觀的尺度上的結構是一致的，它們之間存在某種轉變關係，也就是說玻色子和費米子存在某種對稱性，它們在弦尺度上通過某種對應關係可以切換。這就是費米子和玻色子的對稱性。

左為玻色子，右為費米子

一開始弦理論並沒有考慮這種對稱性。如果把這種對稱性概念加到弦理論中，那麼弦理論就變成超對稱弦理論，也就是我們常說的超弦理論。

目前來說，超弦理論分為五種。在不同超弦理論中，一維膜依舊是弦，二維膜的疊加產生了三維，也就是世界體積。二維膜就相當是紙，紙在非平行紙面方向運動會形成三維的路徑。

所以二維膜的運動會形成更高維的世界。再高維度的膜統一稱為p膜，同理二維膜的運動形成三維的世界體積。p膜的運動也會形成更高一個維度的世界。這時候我們稱為p 1膜的「世界體積」。

超弦理論每引入一個維度就會產生相應的數學矛盾，比如出現負概率現象。為了解決這些數學矛盾，就需要引入更多的維度化解，就類似於量子力學為了避免數學上的無窮大問題而進行的重整化過程。

當超弦理論引入到10維時空的時候，就正好可以化解所有數學矛盾，這也就是超弦理論為什麼需要用十維時空來詮釋的原因。十維時空也就是9維空間加一維時間。

但是超弦理論還分五種，各自的解釋還不盡相同。為了統一這五種超弦理論，可以引入更高維度，也就是10維空間加1維時間的11維時空的M理論。這樣一來，五種超弦理論就全部被囊括在M理論中。

M理論包含了五種超弦理論和11維超引力理論

如果說超弦理論是萬有理論，那麼M理論就是超弦理論的萬有理論。

什麼是萬有理論？

很通俗地說，就是可以詮釋構成大千世界方方面面的基本規律。我們總是相信，宏觀物質的不同屬性在微觀尺度上是一致的。曾經的我們以為原子就是這個世界的最小尺度，以為原子不分性質差別，不同的排列形式構成了宏觀物質的差別。

而量子力學打破了這樣的夙願。但留給我們的依舊是殘缺的理論。我們始終還是相信，在夸克等基本粒子之下依舊存在一個基本的、沒有屬性差別的物質，正是由於它的不同形式表達，才形成宏觀上的差別！我們總是相信最基本的物質沒有較大差別，宏觀物質的差別是最基本物質的細微變化引起的多米諾骨牌式的放大效應！而超弦理論就是這樣的一個理論，所以我們有理由相信超弦理論最終能勝任萬有理論的重任！

但是科學家要走的路還很長，，目前弦理論尺度下的研究無法被實驗驗證，並飽受紙上談兵的詬病。現在的弦理論基本屬於數學的擂台。實驗要跟上超弦理論的步伐還需要很長的路要走。

當然，實驗才是所有理論唯一的驗金石。以後技術成熟，弦理論若不能通過實驗驗證，那將成為科學史上最大的烏龍事件。但筆者依舊希望弦理論能經受住實驗的考驗！

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