編注：這篇文章并不是詳細(xì)介紹某一理論學(xué)說的，它只是在有限的內(nèi)容里，盡可能地梳理為何科學(xué)研究會從廣義相對論一直走到超弦理論。以及為何當(dāng)時科學(xué)家們要如此去開展相關(guān)研究。文章用詞盡量簡單化，但是很多專業(yè)詞如果不是很理解，沒有關(guān)系的，大膽讀下去即可，以后有時間再去細(xì)細(xì)研究即可。最后，祝你好運(yùn)！
麥克斯韋毋庸置疑是偉大的，普朗克也毋庸置疑是偉大的，而愛因斯坦更是公認(rèn)的偉大。但是，偉人們在給我描繪美好圖景的同時，也會讓我們看到美中不足。
愛因斯坦在他晚年時，一直努力嘗試將廣義相對論和量子力學(xué)進(jìn)行統(tǒng)一，但可惜的是，直到他去世時也沒能得到一個結(jié)果！
測不準(zhǔn)原理
為何愛因斯坦要將廣義相對論和量子力學(xué)進(jìn)行統(tǒng)一呢？在當(dāng)時，愛因斯坦的廣義相對論可謂是一門精致的不能再精致的理論。
它在解釋大型天體等各種宏觀宇宙現(xiàn)象時精準(zhǔn)性可謂是無一例外。但是，就在這時，量子力學(xué)研究里傳來了“測不準(zhǔn)原理”的消息。
什么叫測不準(zhǔn)？要知道，如果我們向空中拋出一個物體，物體將會在空中做拋物線運(yùn)動。在拋物線的各個時間點(diǎn)上，我都只要獲得足夠的參數(shù)，我們就可以測的物體的運(yùn)動位置和運(yùn)動速度，也就是說物體在空中的運(yùn)動軌跡是可以預(yù)測的。
然而，到了微觀粒子，這種預(yù)測性行為卻很難進(jìn)行。比如我們要預(yù)測電子的運(yùn)動軌跡，我們就要需要知道電子在某一刻某個地點(diǎn)的速度參數(shù)。
如果人類要觀察到它，就必須得將至少一個光子打到電子身上，這樣我們的眼睛才能看見它。
但是因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量很小很小，哪怕一個光子打在電子上面，也會引起電子的角速度等發(fā)生改變，而這一改變將會使得電子的軌跡變得不可預(yù)測。換句話說，電子的運(yùn)動軌跡測不準(zhǔn)。這就是測不準(zhǔn)原理。
剛開始，人們以為這是實(shí)驗(yàn)誤差所致，只要通過改善試驗(yàn)條件還是可以測到的。但是隨著數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)的逐漸深入，人們才發(fā)現(xiàn)，想要琢磨微觀粒子的行徑是不可能的。
于是，廣義相對論迎來了它的挑戰(zhàn)！雖然廣義相對論很精致，但是它在解釋物理現(xiàn)象時其實(shí)還是在牛頓經(jīng)典物理下的結(jié)果。
愛因斯坦
上帝擲骰子嗎？
何為經(jīng)典物理？即時間是個單一不變的量，物體的行為都只有一種歷史模式。而量子力學(xué)卻認(rèn)為粒子的行為可以有無數(shù)個歷史模型。
換句話說，經(jīng)典物理認(rèn)為，物體運(yùn)動的每個時刻都只有一種路徑選擇，而在量子力學(xué)中，粒子運(yùn)動的每個時刻卻可以隨機(jī)有無數(shù)種選擇。
換句話說，量子力學(xué)認(rèn)為，微觀粒子的路徑運(yùn)動是隨機(jī)的，不可預(yù)測的，就好比擲骰子一樣。這也是為什么愛因斯坦在駁斥量子力學(xué)時說了一句“上帝是不會擲骰子的！”的原因。
但是，這句話卻并沒有給愛因斯坦帶來足夠證據(jù)，反而讓其成為反面典型一直在流傳。因?yàn)楹芏嗫茖W(xué)家都認(rèn)為上帝是擲骰子的。
顯然在解釋測不準(zhǔn)原理，量子力學(xué)可以解釋的非常說的通。但是量子力學(xué)也有著它自身的局限，比如量子力學(xué)無法去解釋廣義相對論下的引力的本質(zhì)。
在廣義相對論中，愛因斯坦將引力的本質(zhì)刻畫成扭曲的空間下的不同勢能。
扭曲的時空
愛因斯坦認(rèn)為，我們的宇宙空間就像一張平鋪的魚網(wǎng)，而天體就想一顆顆有重量的鐵球，如果誰的質(zhì)量大，那么它將在魚網(wǎng)中下陷的越深，也就是對鐵球周圍的空間的扭曲成都越大。而萬有引力就是這些扭曲空間下不同的類重力勢能。
顯然，在解釋萬有引力上，量子力學(xué)是乏力的。
于是有意思的現(xiàn)象出現(xiàn)了，同一個宇宙，居然需要用兩套看似完全不同的理論進(jìn)行單獨(dú)解釋。我們很難去相信，宇宙的宏觀面和微觀面居然不是同一種事物。也正是在這種背景下，愛因斯坦嘗試將二者進(jìn)行統(tǒng)一的，只不過天妒英才，他走的太早！
既是波，也是粒子
量子場論
于是重?fù)?dān)，自然也要順延給后來者。
所以，從上世紀(jì)中期一直到現(xiàn)在，現(xiàn)代物理都在努力解決這個分歧。
科學(xué)家瘋狂地對宏觀世界進(jìn)行量子化理論研究，于是誕生了著名的量子場論。
我們知道，場是一種波，無論是廣義相對論還是電磁學(xué)都是場論，而量子論下的世界是粒子，這種完全看似矛盾的現(xiàn)象，但是卻真實(shí)的發(fā)生在同一個宇宙身上。
我們知道，自然界中存在四種基本力：
1、引力：萬有引力，簡稱引力，引力發(fā)生在任何兩個物體之間，引力雖然很小，但是作用范圍卻極遠(yuǎn)。
2、電磁力：電荷之間的相互吸引力，相同電荷相互排斥，相異電荷相互吸引。
3、強(qiáng)核力：簡稱強(qiáng)力，將原子核內(nèi)質(zhì)子和中子束縛在一起的力，此外，還包括束縛質(zhì)子和中子自身的力。
4、弱核力：簡稱弱力，是原子核發(fā)生裂變和聚變時產(chǎn)生的力，是可以改變粒子但不致使原子核發(fā)生崩解的力。
力這種概念，是場論，如果能將上述中的4種基本力都能用量子論來表述，那宏觀世界的量子化就得到成功，現(xiàn)代物理將完全擺脫經(jīng)典物理對它的限制，自然我們也會有了一個統(tǒng)一的理論，該種理論可以同時解釋宏觀世界和微觀世界。
天才：費(fèi)曼
于是，第一個量子化過程開始了，它是電磁力。
在1940年，物理學(xué)家費(fèi)曼（這個人真是一位天才！）和一些科學(xué)家將電磁力的作用機(jī)制描述為微觀粒子間類似相互傳球的過程。
費(fèi)曼認(rèn)為，場其實(shí)就是一種粒子，這種粒子叫做玻色子，電子之間力的作用就是玻色子在電子之間相互跳躍帶來動量（產(chǎn)生力）并同時被吸收的過程，而電子等這類物質(zhì)被稱為費(fèi)米子。
在這個解釋中，力這種場被完美的粒子化，于是在接下來的若干年的實(shí)驗(yàn)中，費(fèi)恩曼準(zhǔn)確的預(yù)言了一系列現(xiàn)象，這使得費(fèi)曼家喻戶曉，而費(fèi)曼創(chuàng)造的理論還有一個非常好聽的名字：量子電動力學(xué)（QED）！
如果故事到這就結(jié)束了，那一切該多好，但是宇宙是非常有意思的，在你以為一切都已經(jīng)非常完美的時候，他就得讓你明白你的想法其實(shí)只是一種偏見。
QED雖然解釋了一系列現(xiàn)象，但是它還是很難處理數(shù)學(xué)上的問題，即使費(fèi)曼創(chuàng)造性的發(fā)明了費(fèi)曼圖，這也仍然難以解釋無數(shù)歷史模型下的電子在玻色子交換過程中產(chǎn)生的無窮大問題。
在這種情況的推導(dǎo)下，電子的電荷和質(zhì)量居然會出現(xiàn)無窮大的情況，這顯然是與實(shí)際不符的！于是，QED被迫進(jìn)行重正化。
所謂重正化，實(shí)際上就是在無窮大的結(jié)果中減去一個無窮小的量，并得出一個多余的常量，這個常量就是電子的質(zhì)量和電荷。
幸運(yùn)的是，人們成功的進(jìn)行了重正化。重正化雖然解決了無窮大的問題，但是在數(shù)學(xué)上卻給人無限質(zhì)疑，因?yàn)樵谶@個過程中，電子的質(zhì)量和電荷幾乎可以是任何數(shù)值。
不過，總體而言，這種重正化還算是成功的，換句話說，電磁力的量子化基本完成。
于是，在接下來的幾十年中，科學(xué)家們進(jìn)行了對強(qiáng)力、弱力的量子化過程，結(jié)果也可以算是成功。尤其是在對弱力的量子化過程中，弱力被很好地進(jìn)行了解釋和預(yù)言，而它的研究者薩拉姆和溫伯格也成功問鼎諾貝爾獎。
如果說前3種力的量子化過程算是艱難，那比起引力的量子過程簡直是小巫見大巫！
由于量子論中存在“測不準(zhǔn)”原理，如果將場的數(shù)量值、變化速率與粒子的位置、速度對應(yīng)起來的話，我們就會發(fā)現(xiàn)，場的數(shù)量值和變化速率中的任何一個變量被測的越準(zhǔn)確，則另一個變量就會變得越不準(zhǔn)確，這對于研究簡直就是一種災(zāi)難！
但是在這個嘗試過程中，人們發(fā)現(xiàn)一個結(jié)論：宇宙不存在真正意義上的真空！
因?yàn)檎婵站鸵馕吨鴪龅拇笮『退淖兓俾识叨记『脼榱悖怯捎跍y不準(zhǔn)原理，宇宙不允許場的大小和它的變化速率二者都是精確的，所以宇宙空間不存在絕對的真空。
但是，它可以有一種最小能量狀態(tài)，我們姑且稱其為真空。
但是這種真空是在量子擾動或真空波動的范疇內(nèi)的，換句話說，粒子和場在存在與不存在之間來回轉(zhuǎn)換。我們可以把真空波動想象為幾對粒子，它們在某時刻一起出現(xiàn)，然后分開，最后彼此湮滅。
費(fèi)曼，把他們的這種關(guān)系稱為閉環(huán)！這些粒子被稱為虛粒子，與我們世界的真實(shí)粒子相對應(yīng)，可喜的是，這些虛粒子已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所捕捉到了。
但問題是，這些虛粒子也具有能量，并且數(shù)量無限多，自然能量也無限多。
于是，無窮大的問題再一次出現(xiàn)在這個過程中，此時除非能夠進(jìn)行重正化，否則引力量子化進(jìn)程又會陷入困境。
但是后來證實(shí)，重正化根本無法進(jìn)行，因?yàn)閺V義相對論中不存在足夠多的可重正化參數(shù)。在這種情況下，如果此理論還要被看作是合理的話，它只有一條路可走，即把所有的無窮化從理論中剔除。
弦論：粒子由振動的能量弦構(gòu)成
弦論的“超引力”
1976年人們發(fā)現(xiàn)一個可能解決這個問題的方案。它被稱為“超引力”，其中的“超”不是說這種理論超級厲害，也不是一種特地附加的前綴，“超”指的是對稱性。
我們知道，如果一個系統(tǒng)的性質(zhì)在某種特定變換下，它能保持不變，那么它就具有對稱性。舉例而言，天空中的正方體，我們將正方體進(jìn)行180度的反轉(zhuǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正方體在性質(zhì)上和沒有反轉(zhuǎn)前一樣，這就是對稱性。
超對稱性，指的是一種更加微妙的對稱，它可以不受空間變換的影響。在超對稱被提出的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，力粒子和物質(zhì)粒子（也就是力和物質(zhì)本身），事實(shí)上是同一事物的兩面。
這就意味著，每個物質(zhì)粒子，比如電子、夸克應(yīng)該具有與其相配的粒子。這就使得解決無窮化成為一種可能。
“超對稱”概念的建立，就來源于弦理論。
根據(jù)弦理論，粒子不是點(diǎn)，而是具有長度但沒有高度和寬度的振動能量線。
弦論也導(dǎo)致無窮，但是人們認(rèn)為在其正確的版本中，所有的無窮都會被取消。
除此以外，弦論還有一個非常亮眼的特征：弦論要保持連貫的話，他必須擁有10到11個維度。
這是一個令人震驚的結(jié)果！我們知道目前可感知到的維度只有4維，假如它正確，那其他的維度去哪了，為什么我們覺察不到。
對此，弦論認(rèn)為，在宇宙大爆炸的過程中，前四維度隨著空間、物質(zhì)、能量一起突破了原先很小的尺度范圍，而其他維度則繼續(xù)被卷曲在原來那個微小尺度內(nèi)。
霍金在電影《萬物理論》宣傳會上
萬物之理論（TOE= Theory of Everything）！
但是弦論對于這些額外維度的卷曲方式似乎沒有得到統(tǒng)一，目前至少存在五種弦論學(xué)說以及數(shù)百萬種卷曲方式。
這種情況對于相信弦論的人來說是很尷尬的，但是，到了1994年，人們開始發(fā)現(xiàn)不同的弦論以及額外維度的不同卷曲方式，其實(shí)就是描述四維時空中的同一現(xiàn)象的不同方法。
現(xiàn)在，弦論學(xué)家，已經(jīng)確信五種不同的弦論僅僅是一個更基本理論的不同近似。
而這個更為基本的理論稱為M理論，M理論可以認(rèn)為是超弦理論的更高級版本，M代表什么，有很多種說法，但不得不提M理論有另一個名稱，膜理論。
但是命名M的威頓自己說，他沒有按“膜”的英文大寫字母M來解釋它，他原本提倡這種理論叫M理論，其實(shí)M是Mother的意思，意思就是所有宇宙事物的母親，萬物之理論（TOE= Theory of Everything）！
宇宙？粒子？
總結(jié)
從這一路走來，一路艱辛相伴。萬物理論的前提假設(shè)，只是人們傾向的認(rèn)為，統(tǒng)一的事物應(yīng)該可以用一種理論來描述。
但是，這是否真的正確？這真是一個值得爭論的問題。
但是，為什么一路走來，很多弦論科學(xué)家在猶豫之后，還一直堅(jiān)持了下來呢？
堅(jiān)持對于科學(xué)家是需要膽量和勇氣的！
我想，一方面是因?yàn)樗麄冊?種力的量子化過程中看到了世界的統(tǒng)一性，而且各種跡象也傾向地表明了這種思想的正確性。
但是，世界就是世界，他不會為了人類而改變自己。在這種前提下，我們只能去認(rèn)識更多，發(fā)現(xiàn)更多。
但是，我們始終傾向認(rèn)為，宇宙的本源應(yīng)是一種無比簡單純粹的規(guī)律法則，只是我們還沒發(fā)現(xiàn)而已，而萬物理論絕對是對此進(jìn)行沖擊的一次偉大嘗試！
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