弦（理论）的安魂曲：描绘万物理论的兴衰

弦理论本应解释所有的物理学。但哪里出了问题？

弦理论开始于50多年前，作为一种理解强核力的方法。从那时起，它发展成为一种万物理论，能够解释每一个粒子的性质，每一种力，每一个基本常数，以及宇宙本身的存在。但是，尽管经过了几十年的努力，它仍未能兑现其承诺。

到底出了什么问题，我们该何去何从呢？

开始的线

和大多数革命一样，弦理论的起源也很卑微。它始于20世纪60年代，当时人们试图理解强核力的工作原理，而强核力是最近才被发现的。量子场论曾被成功地用于解释电磁力和弱核力，但它并不能解决这个问题，所以物理学家们渴望找到新的东西。

一群物理学家采用了量子教父维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）开发（后来被放弃）的数学技术，并对其进行了扩展。在这种膨胀中，他们发现了第一个弦 —— 在时空中重复的数学结构。不幸的是，这个原弦理论对强作用力的性质做出了错误的预测，并且还存在各种令人头疼的伪影（比如超光速粒子的存在，这种粒子的传播速度只比光快）。一旦另一种理论被发展出来解释强作用力（我们今天使用的基于夸克和胶子的理论），弦理论就淡出了舞台。

上图：1966年，德国理论物理学家维尔纳·海森堡。

但是，就像大多数革命一样，多年来人们一直在窃窃私语，让希望依然存在。在20世纪70年代，物理学家发现了弦理论的几个显著性质。第一，该理论可以支持更多的力，而不仅仅是强核力。弦理论中的弦具有巨大的张力，迫使它们卷曲成尽可能小的体积，大约是普朗克尺度。一旦就位，弦就可以支持各种振动，就像绷紧的吉他弦一样。不同的振动导致了力的不同表现：一个音符代表强核力，另一个音符代表电磁力，等等。

弦的一种可能的振动就像一个无质量的自旋2粒子。这是一种非常特殊的粒子，因为它将是引力的量子力载体，是量子化引力理论的圣杯。当时的理论家们简直不敢相信他们的黑板：弦理论自然、优雅地包含了量子引力，而他们甚至都没有尝试过！

20世纪70年代出现的第二件大事件是超对称理论的引入，它声称所有携带力的粒子（称为玻色子，包括光子和胶子）都与构成物质的粒子集合（称为费米子，如电子和夸克）中的一个超对称伙伴有关，反之亦然。

这种对称性不会出现在日常环境中，它只在极高的能量下显现。所以，如果你回到宇宙大爆炸的最早期，或者有足够的资金沿着木星轨道建造一个粒子对撞机，你不只会看到我们熟悉的普通粒子动物园，你也会看到它们所有的超对称伙伴。它们被取了一些愚蠢的名字，比如选择子、中微子、夸克、光色子，还有我个人喜欢的玻色子。

通过建立这种联系，弦理论可以在玻色子和费米子之间架起一座桥梁，使它从仅仅是一个力的理论一跃成为一个适用于所有存在的粒子的理论。超对称的引入也解决了超光速子的棘手问题，用超对称的粒子代替了这些麻烦的粒子，这是一个很好的发展。

在20世纪70年代末，弦理论可能会解释所有的粒子和它们之间的所有相互作用，并为引力提供了一个量子解决方案。

一种理论统治它们，一种理论寻找它们，一种理论带来它们，并将它们捆绑在一起。

被扰动的弦

自物理学家第一次意识到弦理论可能提供一种万能理论以来，已经过去了将近半个世纪。尽管几十年来，数百名科学家在几代人（学术）的努力下，以及无数的论文、会议和研讨会，弦理论还没有完全实现这一潜力。

最大的问题之一涉及到弦之间相互作用的方式。当涉及到量子理论时，渐近线的一个主要难题是粒子可以相互作用的无限多种方式。写下描述相互作用的基本控制方程很容易，但当我们实际尝试使用它时，数学往往会崩溃。在弦理论中，基本粒子根本不是粒子；它们是振动的微小循环……嗯，是弦。例如，当我们看到两个粒子相互碰撞时，实际上是两根弦短暂地合并，然后分离。这听起来很酷，但这个过程仍然有无数种方式可以展开。

与它的量子兄弟不同，当涉及到弦理论时，我们没有基本理论 —— 我们只有一套近似和微扰方法。我们不确定我们的近似是正确的还是偏离了目标。我们有扰动技术，但我们不确定扰动来自什么。换句话说，弦理论是不存在的，只是我们所希望的弦理论的近似值。

第二个主要困难涉及弦本身的振动。早期，物理学家们意识到，如果要解释宇宙中各种各样的力和粒子，弦必须在三维空间中振动。但三维空间太有限了，它严重地限制了潜在振动的数量，以至于它不再是万物理论，只是某些事物的理论，这远没有那么令人兴奋。

弦理论的早期版本需要26个空间维度，但在超对称和一些维度裁员之后，理论家们能够将这个数字“仅”减少到10个。

现在，宇宙没有10个空间维度，至少在大尺度上是这样，因为我们现在应该已经注意到它们了。所以，所有额外的维度都必须很小并且蜷缩在自己身上。当你在前面挥舞手臂时，你无数次地穿越了这些微小的维度，但它们是如此之小（通常在普朗克尺度上），以至于你没有注意到它们。

额外的维度给了弦足够的振动选择来解释所有的物理。这些维度在自身卷曲时所能呈现的各种形状被称为“Calabi-Yau流形”。如果你把一张纸卷起来，你有几个选择：你可以只连接一对边（形成圆柱体）或两对边（形成美味的甜甜圈），你可以引入一次翻转（莫比乌斯带）或两次翻转（克莱因瓶），等等。这只是二个维度的。如果有6个，你就有10500到1010000个可能的选项。

我们关心所有这些可能的形状，因为额外空间维度的卷曲方式，决定了弦的可能振动集 —— 每种形状产生一组不同的弦振动，就像不同的乐器一样。大号听起来和萨克斯管不同，因为它的结构和它能支持的振动类型不同。但我们的宇宙只是一种乐器，只有一组“音符”，与我们的组合力和粒子相对应。

上图：6D Calabi-Yau 五次流形的2D切片。

那么，在无数潜在的 Calabi-Yau 结构中，哪一个符合我们的现实呢？我们不知道。因为我们对弦理论没有完整的解释，只有近似，所以我们不知道弯曲维度的形状如何影响弦振动。我们没有可靠的机制来从给定的 Calabi-Yau 流形到宇宙中出现的物理，所以我们不能进行反向操作，用我们独特的物理经验来发现卷曲维度的形状。

超对称超头痛

情况变得更糟了。到20世纪90年代初，弦理论家已经发展出不同版本的弦理论，不是一种，不是两种，而是五种。这些变化是基于基本弦的处理方式。在某些版本中，所有的弦都必须形成闭环；在其他情况下，它们可能是开放的。在某些情况下，振动只能向一个方向传播；在另一些情况下，它们可以同时向两个方向传播，以此类推。对于那些好奇的人，五种弦理论分别是1型、IIA型、IIB型、SO（32）杂种理论和E8xE8杂种理论。

因此，现在我们有了一点令人尴尬的财富。五种可能的理论，都声称是真弦理论的最佳近似值。这是相当尴尬的，但在20世纪90年代，物理学家爱德华·维滕（Edward Witten）宣布了赢家：所有人。

他发现了二元性，这是理论之间的数学关系，可以让你把一个理论转换成另一个理论。在这种情况下，爱德华·维滕将五种弦理论捆绑成一个结。这个想法还没有得到数学上的证明，但它表明，这五种弦理论实际上是一个单一的、统一的、真正的弦理论的表现，爱德华·维滕称之为M理论。我们不知道M理论是什么（甚至不知道“M”代表什么），但它应该是真正的弦理论。

这可能非常有用，因为一旦我们确定我们的近似方案是否有效，所有五个版本的弦理论都应该汇聚在它上面，我们的宇宙应该从数学中跳出来。

但那是近30年前的事了，我们仍然不知道M理论是什么。我们还没找到弦理论的解。

需要明确的是，我们对弦理论的理解能力并不局限于实验。即使我们能建立一个超级对撞机实验，获得解锁量子引力所必需的能量，我们仍然无法测试弦理论，因为我们没有弦理论。我们没有可以做出可靠预测的数学模型，只有我们希望准确代表真实物理的近似值。我想，我们可以测试这些近似，但它不能帮助我们确定真实模型的内部工作原理。

即便如此，我们所做的实验并没有什么帮助。当超对称理论在20世纪70年代由弦理论界提出时，它被证明是一个非常受欢迎的想法，以至于许多粒子物理学家都把它当作自己的理论，使用这些技术建立了超越标准模型的高能物理模型。

超对称不是一个单一的理论，这是一系列的理论。它们都有相同的核心原理：在足够高的能量下，玻色子和费米子是彼此的伙伴。但是，相互作用的细节却变成了留给每个理论家的家庭作业。一些超对称理论相对来说比较简单，而另一些则比较复杂。不管怎样，在20世纪90年代，物理学家们变得如此确信超对称是超级棒的，以至于他们设计了一个超级强大的对撞机来测试它：大型强子对撞机。

上图：大型强子对撞机偶极子的3D剖视图。

大型强子对撞机的光束在2008年开始了第一次测试操作，当时有两个主要的科学目标：找到难以捉摸的希格斯玻色子和找到超对称性的证据。

四年后，希格斯粒子被发现。超对称则不然。现在15年过去了，仍然没有超对称的迹象。

事实上，所有“简单”版本的超对称都被排除在外，许多更复杂的版本也被排除在外。由于证据的缺乏，超对称理论家族中的许多成员都被消灭了，以至于整个理论的基础非常不稳固，物理学家们开始召开会议，纷纷讨论“超越超对称”和“哦，天哪，我想我浪费了我的职业生涯。”

弦理论在哪里呢？好吧，因为（我永远不会停止提醒你这一点）没有弦理论，只有近似值。不使用超对称也有可能建立一个弦理论的版本 …… 也许吧。然而，计算会变得更加棘手，近似会变得更加粗略。如果没有超对称性，弦论就不会消失，但它肯定是有生命支持的。

命运的二元性

在对万物理论进行了50年的研究之后，我们得到的近似理论似乎非常接近于解释所有的物理学 …… 但又总是遥不可及。研究人员仍在继续寻找连接不同版本的弦理论的潜在二元性，试图找出可能是它们基础的神秘M理论。微扰理论和近似方案的改进，为将额外维度的维度结构与可预测的物理学联系起来提供了一些突破的希望。围绕着大型强子对撞机缺乏超对称性证据所造成的损害，仍在继续研究。

为了回应我们无法选择哪个 Calabi-Yau 流形来对应于我们的宇宙（更重要的是，为什么我们的宇宙有这个流形而不是其他任何流形），一些弦理论家诉诸于你可能称之为景观的东西。他们认为，紧凑维度的所有可能配置都已实现，每一种配置都有自己独特的宇宙和一套物理定律，而我们恰好生活在这种配置中，因为在大多数或所有其他配置中，生命是不可能存在的。这不是物理学中最有说服力的论点，但我会把这个想法的剖析留到以后再说。

我们没有弦理论，所以我们不能测试它。但在弦理论的邻近理论上进行实验是有可能的，在这方面已经取得了一些进展。也许在大爆炸之后立即发生的暴胀事件，可以教会我们关于弦理论（或宇宙跨度宇宙弦的形成）。也许，这种二元性比我们最初想象的要多。

最近，理论家们提出了另一种二元性，AdS/CFT对应关系。它不完全是弦理论，但这个想法肯定是由它支持的。这种对应关系提出，你可以在一个特殊的三维环境中写下一个弦理论，并将它与二维边界上的一种特殊的量子理论联系起来。原则上，这种对应关系应该允许你将不可能解决的弦理论问题，转化为真正难以解决的量子问题（反之亦然，允许你使用弦理论中开发的一些数学工具来解决棘手的量子问题）。

AdS/CFT通信已经发现了一些有限的应用，但其全部用途尚不清楚。虽然AdS和CFT的对应关系还没有被证实，但理论家们声称，它很快就会成为可能（他们以前也说过同样的话）。

现代大多数弦理论家并不直接研究弦理论，而是主要研究AdS/CFT对应关系及其含义，希望继续探索这种数学关系能解开对万有理论工作的一些隐藏的洞察力。我祝他们好运。

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