萬物隱藏在怎樣的小宇宙里？這是愛因斯坦在生命的最后30年里，一直追尋的問題。他希望能找到一個(gè)包羅萬象的理論，統(tǒng)一引力、電磁力、強(qiáng)力、弱力這四種自然力，描繪一切現(xiàn)有的物理規(guī)律。很可惜，愛因斯坦并沒有成功。至今為止，當(dāng)代物理學(xué)還是建立在兩套支柱理論——廣義相對論和量子力學(xué)——之上。是的，望子成龍的家長們已經(jīng)開始給3歲寶寶買廣義相對論和量子力學(xué)的讀物了但問題是，這兩大支柱理論在極端情況下出現(xiàn)了不可調(diào)和的沖突。這就意味著，物理學(xué)家們必須找到一套更高層的理論，來調(diào)和二者的之間的沖突。那么，到底什么是弦理論呢？憑什么說它有可能成為大一統(tǒng)理論？在了解弦理論之前，你需要以最簡單的方式，來了解一下當(dāng)代物理學(xué)的兩大支柱理論：廣義相對論和量子力學(xué)——?jiǎng)e擔(dān)心，下面的內(nèi)容很通俗，你一定能看懂。先來看看廣義相對論。物理學(xué)家恵勒曾經(jīng)用一句非常簡潔的話，概括了廣義相對論的核心內(nèi)容：“物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動”。在普通人看來，空間是看不見摸不著的。但在廣義相對論中，空間相當(dāng)于一張巨大的、平滑的、有彈性的膜。假如我們把一顆球放到這張巨大的膜上，膜就會凹下去。凹下去的膜就相當(dāng)于空間
在這個(gè)比喻中，膜就相當(dāng)于空間，球就相當(dāng)于太陽、地球這些星球。球這樣的物質(zhì)放到膜上，就會讓膜變形，球越重，膜彎曲得就越厲害，這就叫“物質(zhì)告訴空間如何彎曲”。而當(dāng)空間這張膜彎曲以后，它也會反過來影響球的運(yùn)動軌跡，這就是“空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動”。在廣義相對論中，引力的本質(zhì)，就是這種空間的形變影響了物質(zhì)的運(yùn)動。這張動圖是對廣義相對論最直觀的展示
現(xiàn)在你知道了，在廣義相對論中，空間就相當(dāng)于一張膜。請記?。?strong>這張膜是非常平滑的。可能你聽說過一個(gè)理論，叫做“海森堡測不準(zhǔn)原理”，更準(zhǔn)確的說法，叫做“不確定性原理”：一個(gè)粒子的位置和速度，不可能同時(shí)被確定。如果它的位置越確定，那速度的不確定性就越高；如果速度越確定，那位置的不確定性就越高。這位就是海森堡了。微博大V @河森堡 說，他很崇拜海森堡，覺得他的知識就像大海一樣淵博，而自己的知識相比之下只能算是一條小河，所以ID叫河森堡~
舉個(gè)例子。假如你把一個(gè)電子裝進(jìn)一個(gè)盒子里，然后把這個(gè)盒子慢慢往里擠壓，越擠越小，這時(shí)候，電子在位置上的確定性就變高了。但此時(shí)你會發(fā)現(xiàn)，電子的速度會變得越來越不確定：它會在盒子里瘋狂沖撞，行動軌跡越來越難以預(yù)料。不光微觀粒子的位置和速度之間存在著關(guān)系，能量和時(shí)間之間，同樣存在著不確定性關(guān)系：如果考察時(shí)間足夠短的話，那粒子的能量就會在短時(shí)間內(nèi)瘋狂地漲落起伏。根據(jù)不確定性原理，即使是看似什么都沒有的一片空間，如果我們把視野縮小，就會發(fā)現(xiàn)那里也有大量的活動。所以在量子力學(xué)里，宇宙在微觀尺度上是一個(gè)混沌的、瘋狂的世界。引力場在微觀尺度上也會因?yàn)榱孔訚q落而波蕩起伏，而且我們關(guān)注的空間越小，這種起伏就越大。好，還記得前面講過的廣義相對論嗎？在廣義相對論中，空間是平滑的。而在量子力學(xué)中，空間在微觀尺度上是劇烈漲落的，根本就不是平滑的。所以在超微尺度上，相對論和量子力學(xué)沖突了。在量子理論中，空間在微觀上是劇烈漲落的。但在廣義相對論中，空間是平滑的。
這個(gè)沖突，就是弦理論誕生的背景，也是弦理論需要解決的問題。在我們的認(rèn)知中，宇宙是由點(diǎn)狀的粒子——比如電子、質(zhì)子——組成的。但弦理論認(rèn)為，如果我們把這些基本粒子放大，用目前還達(dá)不到的超高精度去觀察它們，就會發(fā)現(xiàn)，這些粒子的本質(zhì)，其實(shí)是一根根小小的弦。每個(gè)粒子，都好像是一根無限細(xì)的、一維的橡皮筋，在不停地震動。宇宙就是由這樣一根根震動的弦組成的。好吧，反正我們也觀測不到，就算宇宙真是弦組成的，那又如何呢？之前說過，在廣義相對論中，空間是光滑的。但在量子力學(xué)中，空間在微觀上是劇烈漲落的。而弦理論就可以緩和廣義相對論和量子力學(xué)在超微尺度上的對立。先來看個(gè)形象的例子。假如你用手去撫摸一塊精心加工過的花崗石，會感覺它特別光滑順手，毫無瑕疵。但如果你用放大鏡去觀察它的表面，就會發(fā)現(xiàn)它凹凸不平，有許多顆粒和坑洞，只是它們太小，用手根本感覺不到。在這個(gè)例子中，花崗石表面的小顆粒已經(jīng)超出了手的感知范圍，對于手來說，它是沒有意義的。同樣的道理，如果我們把手換成弦理論中的弦，那就意味著，如果一個(gè)東西比弦還小，就不會對弦產(chǎn)生影響，對于弦來說它就是沒有意義的。我們之前說過，量子力學(xué)和相對論的沖突，是在超微尺度時(shí)才發(fā)生的。但實(shí)際上，在這么小的尺度下，無論發(fā)生怎樣的量子漲落，空間里有怎樣的滔天巨浪，都影響不到弦。既然影響不到整個(gè)宇宙中最小的基本單位，就更影響不到其他的各種事物了，所以我們根本就不用管量子力學(xué)和相對論的沖突，問題就這么解決了。你肯定在想，這是在?；ㄕ?，這不是解決問題，而是在逃避問題。還真不是。因?yàn)槲覀兿胂蟮倪@種沖突，本來就是在粒子理論（標(biāo)準(zhǔn)模型理論）的基礎(chǔ)上才會產(chǎn)生。但如果我們換一套理論，把粒子換成弦，那這個(gè)問題在一開始就壓根不會出現(xiàn)。所以目前看來，弦理論或許可以提供一個(gè)大統(tǒng)一的框架，有可能成為解釋萬物的終極理論。當(dāng)然，它仍然只是個(gè)處于科學(xué)前沿的假說而已，但假若弦理論有一天真的被證實(shí)，那我們就可以說，萬物真的隱藏在一根根弦組成的小宇宙里了。以上這些內(nèi)容，都整理自《宇宙的琴弦》這本著名的弦理論科普作品。在柴柴看來，這本書是弦理論領(lǐng)域最好的科普作品之一。它的作者布賴恩·格林（Brian Greene），是牛津大學(xué)的物理學(xué)博士，哥倫比亞大學(xué)的數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授，同時(shí)也是站在弦理論研究最前線的頂尖科學(xué)家，被華盛頓郵報(bào)稱為“世界上最擅長解釋深?yuàn)W思想的人”。
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