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物理學(xué)中未經(jīng)證實(shí)但最杰出、最具爭(zhēng)議的理論之一的弦理論。弦理論的核心是貫穿物理學(xué)幾個(gè)世紀(jì)的思想主線，作為同一個(gè)框架的一部分，在某些層面上，所有不同的力、粒子、相互作用和現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)被捆綁在一起。不是四種獨(dú)立的自然基本力（引力、電磁、強(qiáng)和弱力），而是一種統(tǒng)一的理論涵蓋了所有這些。

在許多方面，弦理論是引力量子理論的最佳競(jìng)爭(zhēng)者，它在最高能量尺度上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。盡管沒有實(shí)驗(yàn)表明，但仍有令人信服的理論依據(jù)證明這一點(diǎn)。早在2015年，頂尖弦理論學(xué)家埃德·威滕就關(guān)于弦理論的所有知識(shí)寫了一篇文章。即使你不是一個(gè)物理學(xué)家，也是如此。

當(dāng)談到自然規(guī)律時(shí)，在看似不相關(guān)的現(xiàn)象之間多少是有相似之處并值得注意。它們背后的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)常常是相似，有時(shí)甚至是完全相同。根據(jù)牛頓定律，兩個(gè)大天體之間引力的方式幾乎與帶電粒子吸引或排斥方式完全相同。鐘擺擺動(dòng)的方式完全類似于彈簧上質(zhì)量來回移動(dòng)方式，也類似于行星繞恒星運(yùn)行的方式。引力波、水波和光波都有著非常相似的特征，盡管它們的物理起源根本不同。同樣的，雖然大多數(shù)人都沒有意識(shí)到單粒子量子理論以及如何接近引力量子理論也是類似。

量子場(chǎng)論的原理是取一個(gè)粒子，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)上的所有可能求和，不能僅僅計(jì)算粒子在哪里，以及它是如何到達(dá)那里的，因?yàn)樽匀挥幸粋€(gè)固有的，基本的量子不確定性。相反把所有可能到達(dá)它現(xiàn)在狀態(tài)的方式(“過去的歷史”部分)加起來用適當(dāng)?shù)母怕?，然后就可以?jì)算單個(gè)粒子的量子態(tài)。

如果想用引力來代替量子粒子，必須稍微改變一下這個(gè)想法。因?yàn)閻垡蛩固沟膹V義相對(duì)論與粒子無關(guān)，而是與時(shí)空的曲率有關(guān)，所以不能對(duì)粒子的所有可能的歷史進(jìn)行平均，取代這一點(diǎn)，可以取代時(shí)空幾何的所有可能。

在三維空間中工作是非常困難的，當(dāng)物理問題具有挑戰(zhàn)性時(shí)，通常會(huì)首先嘗試解決一個(gè)更簡(jiǎn)單的問題。如果將難度降到一維，事情就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單。唯一可能的一維曲面是一個(gè)開弦，其中有兩個(gè)獨(dú)立的、不相連的端點(diǎn)，或者是一個(gè)閉弦，兩個(gè)端點(diǎn)連接在一起形成一個(gè)循環(huán)。此外空間曲率在復(fù)雜三維空間中變得微不足道。

所以如果想加入物質(zhì)，剩下的就是一組標(biāo)量場(chǎng)（就像某些類型的粒子一樣）和宇宙常數(shù)（就像質(zhì)量項(xiàng)一樣）。粒子在多個(gè)維度上獲得的額外自由度并沒有起到很大作用；只要能定義動(dòng)量矢量，那就是最重要的維度。因此在一維中，量子引力就像任意數(shù)量維度中的自由量子粒子。

下一步是合并相互作用，從一個(gè)沒有散射振幅或橫截面的自由粒子，到一個(gè)可以扮演物理角色的粒子與宇宙結(jié)合。就像上面的圖一樣可以描述量子重力作用的物理概念。如果把這些圖所有可能的組合都寫下來，應(yīng)用相同的法則并把它們加起來；如果總是強(qiáng)制執(zhí)行動(dòng)量守恒定律，就可以完成類比。一維的量子引力很像單個(gè)粒子在任意數(shù)量的維度上相互作用。

接下來將從一個(gè)空間維度移動(dòng)到3+1維度：宇宙有三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度。但這種理論上的引力力“升級(jí)”可能非常具有挑戰(zhàn)性。相反如果我們朝著相反的方向努力，或許會(huì)有更好的方法。與其計(jì)算單個(gè)粒子(一個(gè)零維實(shí)體)在任何維度上的行為，不如計(jì)算一個(gè)字符串(一個(gè)一維實(shí)體)的行為。然后可以從更現(xiàn)實(shí)的維度中尋找更完整的量子引力理論。

代替點(diǎn)和相互作用，在表面膜上運(yùn)行。一旦有一個(gè)真實(shí)的多維表面出現(xiàn)，這個(gè)表面就可以以非平直的方式彎曲。開始有很有趣的行為出現(xiàn)，這種行為可能是在宇宙中經(jīng)歷的時(shí)空曲率的根源，就像廣義相對(duì)論一樣。雖然一維量子引力提供了可能彎曲時(shí)空中的粒子的量子場(chǎng)理論，但它并沒有描述引力本身。

這個(gè)謎缺的微妙之處是什么？運(yùn)算符之間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，或者沒有表示量子力學(xué)，力和性質(zhì)的函數(shù)狀態(tài)，或也沒有粒子和它們的性質(zhì)是如何隨時(shí)間演化的。這種“操作員狀態(tài)”對(duì)應(yīng)是必要的，但缺少的成分。但是如果從點(diǎn)狀粒子轉(zhuǎn)移到弦狀實(shí)體，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

一旦從粒子升級(jí)到弦狀實(shí)體，就會(huì)有一個(gè)真正的操作符-狀態(tài)通信出現(xiàn)。時(shí)空度量（即操作符）中的波動(dòng)自動(dòng)表示弦性質(zhì)的量子力學(xué)描述狀態(tài)。所以可以從弦理論中得到時(shí)空中的引力理論。

但這還不是得到的全部：還得到了量子引力與時(shí)空中的其他粒子和力的統(tǒng)一，這些粒子、力與弦場(chǎng)理論中的其他算子相對(duì)應(yīng)。還有一個(gè)算子描述時(shí)空幾何的波動(dòng)，以及弦的其他量子態(tài)。弦理論最大的新聞是它能給出一個(gè)有效的量子引力理論。

但這并不意味著這是一個(gè)必然的結(jié)論：弦理論是通向量子引力的道路。弦理論的最大希望是這些類比在所有尺度上都能成立，并且將會(huì)有一個(gè)清晰的，一對(duì)一的弦圖映射到周圍的宇宙?，F(xiàn)在只有幾組維度，字符串/超弦圖是自洽的，最有希望的一個(gè)并不給我們描述宇宙愛因斯坦的四維引力。

相反發(fā)現(xiàn)了一個(gè)10維的Brang-Dikes引力理論。為了恢復(fù)宇宙的引力，必須“去掉”六個(gè)維度，并將Brang-Dikes耦合參數(shù)ω?zé)o限化。如果你聽說過弦理論中的緊化這個(gè)詞，這就是必須解決這些難題的有力證明?，F(xiàn)在許多人認(rèn)為存在一個(gè)完整的、有說服力的解決方案來滿足緊化需要。但是如何從10維Brang-Dikes理論得到愛因斯坦引力和3 + 1維仍然是弦理論需要面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

弦理論為量子引力提供了一條途徑，但只有很少的選擇才能與之真正匹配。如果這一數(shù)學(xué)證明的方式，就可以得到廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型。不管你是否能指出弦理論的成功或失敗，或?qū)λ狈沈?yàn)證的預(yù)測(cè)證據(jù)，它無疑是理論物理學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域之一。弦論的核心成為許多物理學(xué)家夢(mèng)想的終極理論主導(dǎo)思想。

博科園-科學(xué)科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B