什么是弦理論？

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在物理學中，弦理論是一個理論框架，在這個理論框架中，粒子物理學中的點狀粒子被稱為弦的一維物體所取代。它描述了這些字符串如何在空間中傳播并相互作用。在比弦尺度大的距離尺度上，弦看起來就像一個普通的粒子，它的質量、電荷和其他性質都是由弦的振動狀態(tài)決定的。在弦理論中，弦的許多振動狀態(tài)之一對應著重子，一個帶有重力的量子力學粒子。因此弦理論是量子引力理論。

弦理論是一個廣泛而多樣的學科，它試圖解決一些基礎物理學的深奧問題。弦理論已被應用于黑洞物理學、早期宇宙宇宙學、核物理和凝聚態(tài)物理等領域的各種問題，并在純數(shù)學領域引發(fā)了一系列重大的發(fā)展。因為弦理論潛在地提供了對重力和粒子物理學的統(tǒng)一描述，它是萬物理論的候選，一個獨立的數(shù)學模型，描述所有的基本力和物質的形式。盡管在這些問題上做了很多工作，但弦理論在多大程度上描述了現(xiàn)實世界，以及弦理論在細節(jié)選擇上允許多大的自由尚不得而知。

弦理論的發(fā)展

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弦理論最早是在20世紀60年代末作為強大核力的理論被研究出來的，后來被棄用于量子色動力學。后來人們認識到，正是弦理論的性質使它不適合作為核物理理論，這使它成為一個有前途的引力量子理論的候選者。弦理論的最早版本，玻色子弦理論，只包含了被稱為玻色子的粒子。后來發(fā)展成超弦理論，認為玻色子和費米子這類粒子之間存在超對稱性。在20世紀90年代中期，人們推測超級弦理論的五個一致的版本都是在11個維度上被稱為m理論的單一理論的不同極限情況。在1997年末，理論家們發(fā)現(xiàn)了一種叫做ad /CFT對應的重要關系，它將弦理論與另一種叫做量子場理論的物理理論聯(lián)系在一起。

M理論

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M理論在一個數(shù)學結構中統(tǒng)一了弦理論的五個一致的版本(以及超重力粒子描述)?？雌饋砻總€理論都在不同的物理狀態(tài)下。

成為“萬物理論（theory of everything，簡寫為TOE）”并不容易。一個萬物理論（TOE）有一項非常艱巨的工作，那就是將重力融入自然的量子規(guī)律，在很大程度上，引力就像時空結構中的曲線，就像阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論中所描述的那樣。在某種程度上，時空曲率是由引力子的量化單位的集體效應產(chǎn)生的。但是天真的嘗試去計算重子是如何相互作用的，結果是荒謬的無窮，這表明需要對重力有更深的理解。

弦理論(或者更嚴格地說，M理論)經(jīng)常被描述為宇宙萬物理論的主要候選者。但是沒有實證證據(jù)證明它，也沒有其他關于重力如何與其他基本力結合的觀點。

為什么弦/ M理論比其他理論更有優(yōu)勢呢?

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這一理論的著名論斷是引力子，以及電子，光子和其他一切，不是點粒子，而是微小的能量帶，或者說“弦”，它們以不同的方式振動。對弦理論的興趣在20世紀80年代中期激增，當時物理學家們意識到它對量化的重力給出了數(shù)學上一致的描述。但弦理論的五個已知版本都是“擾動”，意思是它們在某些情況下會崩潰。理論學家可以計算出當兩個重子弦在高能量下碰撞時會發(fā)生什么，但當重子的匯流達到足以形成黑洞的程度時則不然。

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然后，在1995年，物理學家愛德華·威滕發(fā)現(xiàn)了所有弦理論的母理論。他發(fā)現(xiàn)各種跡象表明，微擾弦理論結合在一起，形成了一個連貫的非微擾理論，他稱之為M理論。M理論看起來和弦理論在不同物理環(huán)境下的每個弦理論一樣，但它本身并沒有對它的有效性范圍的限制——這是萬物理論的一個主要要求。或者威滕的計算結果是這樣的。加州理工學院的理論物理學家大衛(wèi)·西蒙斯-杜芬解釋說:“威滕可以在不寫下M理論方程式的情況下提出這些論點，這令人印象深刻，但也留下了許多未解的問題。”

兩年后，物理學家胡安·馬爾達塞納(Juan Maldacena)發(fā)現(xiàn)了AdS/CFT通信:在一個叫做反德西特(AdS)空間的時空區(qū)域內(nèi)，將引力與粒子的量子描述(稱為“共形場理論”)聯(lián)系起來，在該區(qū)域的邊界上移動。ad /CFT給出了一個完整的m理論的定義，用來描述AdS時空幾何的特殊情況，這些時空幾何被注入了負能量，使它們以與我們的宇宙不同的方式彎曲。對于這樣的想象世界，物理學家可以描述所有能量的過程，原則上包括黑洞的形成和蒸發(fā)。在過去的20年里，有1.6萬篇論文引用了馬爾達塞納的理論，這些論文主要是為了進行這些計算，以便更好地理解AdS/CFT和量子引力。

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這個基本的事件序列讓大多數(shù)專家認為M理論是最好的萬物理論（TOE）候選者，即使它在我們這樣的宇宙中的確切定義仍然是未知的。這個理論是否正確是一個完全不同的問題。它所定位的弦——以及額外的、彎曲的空間維度，這些弦被認為在其中擺動——比大型強子對撞機(Hadron Collider)所能解析的實驗要小1000億倍。一些可能已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的理論的宏觀特征，如宇宙弦和超對稱性，還沒有出現(xiàn)。

與此同時，其他的萬物理論（TOE）被認為有各種各樣的技術問題，但還沒有人重復弦理論對數(shù)學一致性的證明，比如引力-引力子散射計算。(根據(jù)西蒙斯-杜芬(simmon - duffin)的說法，所有競爭對手都沒能完成這一計算的第一步，或第一步“量子修正”。)一位哲學家甚至認為弦理論作為唯一已知的一致理論的地位可以作為這個理論是正確的證據(jù)。

與之競爭的理論包括漸近安全引力、E8理論、非交換幾何、以及因果費米子體系等，都遠遠落后于弦理論。例如，漸近安全引力建議，引力的強度可能隨著尺度的變小而發(fā)生變化，從而解決計算中出現(xiàn)的無窮大問題。但目前還沒有人知道如何讓這一技巧得到運用。