在20世紀(jì)90年代初，弦理論處于理論發(fā)展的困境，幾十年來(lái)，理論物理學(xué)家們傾注了他們的心血，認(rèn)為現(xiàn)實(shí)的基本組成是微小振動(dòng)的弦。

這是一個(gè)潛在的革命性想法，能夠?qū)⒆匀唤绲乃辛臀镔|(zhì)的所有組成統(tǒng)一到一幅單一和諧的圖景中。

然而，令人頭疼的是，弦理論有五個(gè)獨(dú)立的候選者，每一個(gè)看起來(lái)都與其他截然不同，哪一個(gè)可能是對(duì)的呢？

五種不同的弦理論

這五種不同的弦理論有幾個(gè)共同點(diǎn)：首先，它們都涉及到字符串；它們還要求宇宙總共有10個(gè)維度（通常的3個(gè)空間維度，加一個(gè)是時(shí)間維度）還有6個(gè)更微型維度，這些維度很小，在亞微觀尺度上蜷縮在自己身上。在所有理論中，弦的振動(dòng)方式帶來(lái)了我們物理世界的豐富性，從自然力到物質(zhì)的基本組成，再到物理常數(shù)本身。

但當(dāng)談到物理理論時(shí)，細(xì)節(jié)很重要，五個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的弦模型在細(xì)節(jié)上有所不同。一些理論只有閉合的弦環(huán)，而另一些理論則允許開放、擺動(dòng)的弦。一些理論只允許振動(dòng)在弦上朝一個(gè)方向傳播，而另一些理論則允許兩個(gè)方向都有，有些理論是其他理論的組合。如果你感興趣，可以參考一下這五種弦理論的名字是：Type 1、Type IIA、Type IIB、SO(32)heterotic和E8xE8 heterotic。

它們顯然不可能都是對(duì)宇宙的正確描述，但哪一種是“真正的”弦理論，哪一種是假的呢？問(wèn)題是弦理論是不完整的（今天仍然是），如沒(méi)有弦理論的最終方程，用物理學(xué)家描述理論的方式來(lái)描述，就像愛(ài)因斯坦引力方程或麥克斯韋方程來(lái)描述電磁學(xué)一樣。理論物理學(xué)家只有希望，但無(wú)法證明接近實(shí)際理論的近似值。因此，五種弦理論代表了五種不同的近似，無(wú)法決定哪一種是最好的。

雙重性

1995年著名理論物理學(xué)家愛(ài)德華·威騰在一年一度的弦理論會(huì)議上做了一次演講。在演講中，他提出了一個(gè)創(chuàng)新式的建議：也許五弦理論畢竟沒(méi)有太大的不同。事實(shí)證明，這五種理論之間存在著有趣的聯(lián)系，稱為對(duì)偶性或?qū)ΨQ性。例如，關(guān)于弦，我們不知道它們交互的程度有多強(qiáng)。但是如果你采用，比方說(shuō)，Type 1并增加它的相互作用強(qiáng)度，最終會(huì)得到SO(32)heterotic的較弱版本。

而且還有更多，有時(shí)弦可以用一定的動(dòng)量，繞著一個(gè)微小卷曲的維度纏繞一定的次數(shù)，但它的雙重性會(huì)使纏繞的數(shù)量和動(dòng)量反轉(zhuǎn)。Type IIA和Type IIB弦理論由這樣的雙重性聯(lián)系在一起。這些雙重性表明，這五種弦理論在某種程度上都是相關(guān)的，并且正在探索更深層次的東西。更深層的東西可以通過(guò)遵循所有雙重性來(lái)猜測(cè)，通過(guò)嘗試五種弦理論上的兩個(gè)雙重性：

有時(shí)會(huì)得到其他幾種理論中的一個(gè)鏈接，有時(shí)會(huì)得到一個(gè)新的雙重性。那個(gè)“新地方”是什么意思？Edward Witten建議將其稱為“M理論”，在我們真正理解它之前，“M”是可以解釋的（例如“膜”）。M理論就像一個(gè)超弦理論，展示了所有五個(gè)弦理論實(shí)際上只是一個(gè)更大、更神秘理論的一個(gè)小角落。理論物理學(xué)家過(guò)去常常認(rèn)為五種弦理論是獨(dú)立的行星，理論和數(shù)學(xué)探索局限于這些行星上的小島。

M理論

但M理論顯示，所有這些島嶼實(shí)際上一直共享同一顆更大的行星。M理論的一個(gè)奇怪特征是（我們對(duì)它知之甚少）：認(rèn)為弦理論似乎只是真實(shí)情況的低能量近似，而現(xiàn)實(shí)需要的不是宇宙的10個(gè)維度，而是11個(gè)維度。更重要的是，現(xiàn)實(shí)的基本對(duì)象不再是弦，而是d-brane?！癇rane”只是多維振動(dòng)事物一個(gè)花哨的詞，字母“d”表示維度，從1膜(弦)到2膜(薄片)到3膜(斑點(diǎn))等等，應(yīng)有盡有。

在很大程度上，這些膜處于低位，大多只是像弦一樣發(fā)揮作用，第11維在宏偉的宇宙交響樂(lè)中并沒(méi)有起到太大作用。除此之外，人們對(duì)M理論知之甚少，弦理論家通常在五種通常的體系中的一個(gè)中工作，因?yàn)樗麄円呀?jīng)被很好地研究了幾十年，而額外維度和膜的引入，使得已經(jīng)很兇猛的弦理論數(shù)學(xué)變得更加糟糕。盡管如此，理論家們?nèi)栽诶^續(xù)探索邊緣，希望有一天能給M理論中的“M”起一個(gè)全稱。

博科園｜作者：Paul Sutter（紐約州立大學(xué)石溪分校天體物理學(xué)家）

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