弦理论——科学领域最强的工具之一，让矛盾的理论同时正确

　　弦理论在大约30年前以自身的完美而大出风头，志在解决基础物理学中的棘手问题，包括调和相对论与量子力学之间的矛盾。

在广义相对论中，事件是连续的和确定性的，这意味着每一个原因匹配一个特定的，局部的影响。在量子力学中，亚原子粒子相互作用产生的事件以跳跃的方式发生（量子跃迁），其结果是有概率的，而不是确定的。

　　简单地用微小振动的弦环替换无限小的粒子，借用迈克尔•法拉第的话来说，这似乎太美妙了，不可能不真实。这些振动会产生夸克、电子、胶子和光子。量子不确定性无法将时空撕成碎片，似乎终于有了一个可行的量子引力理论。

　　比文字描述更美丽的是其背后的数学，它让一些物理学家欣喜若狂。可以肯定的是，弦理论带来了令人不安的影响。这些弦太小，实验无法探测，而且存在于多达11个维度的空间中。这些维度被折叠成复杂的形状。没有人知道这些维度是如何折叠的，但可以肯定的是，某些构型最终会产生我们所熟悉的力和粒子。

许多物理学家认为弦理论会让量子力学和引力统一。

　　后来物理学家们意识到，单一（统一）理论的梦想只是一种幻觉。在上世纪70年代完成了强大的粒子物理学“标准模型”之后，他们希望这个故事能够在弦理论身上重演。就像许多成熟的理论一样，弦理论在一些方面变得丰富、复杂、难以处理，并具有广泛的影响力。它的触角已经深入到理论物理学的许多领域。

　　弦理论的数学已经应用于宇宙学和凝聚态物理等领域。今天的弦理论看起来几乎是分形的。人们对任何一个角落探索得越近，他们发现的结构就越多。有些人在特定的“裂缝”中挖得很深；另一些人则把视野放大，试图理解更大的模式。结果是，如今的弦理论包含了很多看起来不再是弦的东西。那些微小的弦环被认为可以渗入到自然界所知的每一种粒子和力中。

　　甚至当弦理论的数学工具被物理科学所采用时，物理学家们一直在为如何处理弦理论的中心张力而苦苦挣扎：它是否能让研究人员了解引力和量子力学是如何调和的？

　　“问题在于弦理论存在于理论物理学的领域中，”国际IAS的数学物理学家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）说，他可能是当今该领域最杰出的人物。“但我们仍然不知道作为引力理论，它是如何与自然联系在一起的。

　　量子场的爆发

　　弦理论作为万物理论的一个高潮出现在20世纪90年代末，当时马尔达塞纳揭示了包含五维引力的弦理论与四维量子场理论是等价的。这种“AdS/CFT”二元性似乎提供了一张地图，通过将其与古老的、很好理解的量子场理论联系起来，来把握引力——这是物理学中最难缠的对象。

　　这种联系从未被认为是一个完美的现实模型。它所处的五维空间具有“西特”（anti-de Sitter）几何学，与我们的宇宙一点也不像。

　　反德

　　但当研究人员深入研究这种二元性的另一面时，他们感到惊讶。大多数人想当然地认为量子场论已经被很好地理解了。事实证明，我们对它们的理解非常有限。

　　这些量子场论是在20世纪50年代发展起来的，用以统一狭义相对论和量子力学。它们在很长一段时间内运作得很好。但是今天，当物理学家们重新审视“你认为你在60年前就理解了的那部分”时，IAS的物理学家说，你会发现“令人震惊的结果”，这是完全出乎意料的。“我们所理解的量子场论的每个方面都是错误的。”

　　研究人员在过去十年左右的时间里发展了大量的量子场论，每一种都用于研究不同的物理系统。这种新型量子场理论的爆发让人不禁想起20世纪30年代的物理学，当时一种新型粒子——介子的意外出现让沮丧的拉比问：“这是谁发现的？”到20世纪50年代，新粒子的泛滥使恩里科·费米抱怨道：“如果我能记住所有这些粒子的名字，我就会成为一名植物学家了。”

　　只有当物理学家们发现了更基本的粒子（如夸克和胶子），他们才开始在新粒子的丛林中看清自己的方向。现在许多物理学家正试图用量子场理论做同样的事情。

　　共形场理论是一个起点。你可以从一种简化的量子场理论开始，这种理论在大大小小的距离上都有相同的表现方式。如果这些特定类型的场论能够被完全理解，深奥问题的答案就会变得清晰。

　　弦理论数学

　　也许从弦理论的蓬勃发展中获益最多的领域是数学本身。IAS的研究人员解释了一些看似棘手的数学问题是如何通过想象一个字符串来解决的。例如，一个卡拉比-丘流形（用于描述时空的复杂折叠形状）可以容纳多少个球体？

　　数学家们被困住了。二维弦可以在如此复杂的空间中摆动，当它扭动的时候，它就能获得新的见解，就像数学多维套索一样。这就是爱因斯坦著名的物理思维方式：与光束一起飞行的思想实验揭示了E=mc^2。从楼上摔下来的想象让他灵光一闪：引力不是一种力，这是时空的属性。

　　利用弦提供的物理直觉，物理学家们提出了一个强大的公式来解决嵌球问题。他们用数学家不允许的工具得出了这些公式。然后，在弦理论家找到答案后，数学家们用他们自己的术语证明了它。

　　弦理论也对宇宙学作出了重要贡献。弦理论在思考宇宙膨胀背后的机制中所扮演的角色——在大爆炸后的瞬间，量子效应与引力正面相遇——是“惊人的强大”。

　　膨胀模型在弦理论中以多种方式纠缠在一起，尤其是多元宇宙（多元宇宙的概念是，我们的宇宙可能是无限多个宇宙中的一个），每个宇宙都是由产生我们自己宇宙的相同机制创造的。在弦理论和宇宙学之间，无限可能的宇宙的想法不仅被接受，甚至被许多物理学家视为理所当然。选择效应将是一个非常自然地解释，为什么我们的世界是这样的，在一个非常不同的宇宙中，我们不会在这里写这篇文章。

　　这种效应可能是弦理论本应解决的一个大问题的答案。正如格罗斯所说：“是什么从无限的可能性中挑选出这个特殊的理论（标准模型）？”

　　构造新图景

　　至少，弦理论的成熟版本，提供了强大的新方法来观察似乎不相容的对自然的描述如何同时是正确的。对同一现象的双重描述的发现在很大程度上总结了物理学的历史。一个半世纪前，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现电和磁是一枚硬币的两面。量子理论揭示了粒子和波之间的联系。现在物理学家有了弦理论。

　　一旦我们用弦而不是粒子来探测空间，看事物的角度就不一样了。如果用量子场理论从A点到达B点太困难，那就在弦理论中重新思考这个问题。在宇宙学中，弦理论“以一种更容易思考的方式包裹了物理模型，也许要花上几个世纪的时间才能把所有这些线索拼凑成一幅连贯的图景。

　　爱因斯坦也曾试图找到一种万物理论，但也以失败告终，这丝毫无损于他的天才。也许真实的情况更像是地图册上的地图，每一张都提供了非常不同的信息，而且各不相同。使用地图集将要求物理学家在同一时间精通多种语言、多种方法。他们的工作将来自许多不同的方向。

　　我们正处于自量子力学在20世纪20年代出现以来最令人兴奋的物理时代。但一切都不会很快发生。

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