弦理論被視為20世紀物理學兩大支柱——量子理論與相對論的大統一嘗試,其終極目標是構建一個能夠解釋整個物理世界的綜合框架。這一理論頗具獨創性,它打破了將粒子視為單純的點粒子這一傳統觀念。相反,弦理論假設粒子實際上是由一維的、微小的弦狀實體組成,這些"小弦"的振動方式決定了粒子的諸多本征屬性,如質量、電荷等。
值得一提的是,弦理論不只局限於描述微觀世界的運作,它也對宇宙的形成和演化提出了自己的見解。據推測,早期宇宙處於十維時空狀態,而後部分維度發生"卷曲",進而衍生出我們今天觀察到的四維時空。這一充滿想象力的理論為解釋宇宙的起源和結構提供了全新的視角。
弦理論的吸引力在於,它有望統一所有的基本力,包括強核力、弱核力、電磁力以及廣義相對論所描述的萬有引力。如果弦理論最終獲得實驗驗證,那它必將成為迄今為止描述自然規律最根本、最完整的理論體系。
這一反直覺的思想最初於20世紀60年代至70年代發展起來，當時弦被用來模擬歐洲亞原子對撞機產生的數據，弦提供了一種描述強相互作用（宇宙四大基本力之一，負責維持原子核的穩定）的優雅數學方法。
弦理論作為一種頗具革命性的新興理論,起初並未受到主流科學界的廣泛重視,長期處於邊緣化狀態。直到1984年,理論物理學家邁克爾·格林和約翰·施瓦茨提出了一組新方程,展示了弦狀實體如何較之傳統點粒子模型避免了一些內在矛盾。這一初步進展為弦理論拓展了廣闊前景,但同時也導致出現了五種互不統一的理論版本,分別描述了一維弦在十維宇宙中振動的不同方式。
轉機出現在1995年,被稱為"第二次弦理論革命"。物理學家們逐步認識到,這五種看似獨立的理論實則是相互關聯的,並且都可以與另一種被稱為"超引力理論統一起來。這一突破性進展標志著當代主流弦理論框架的形成,為之後將各種基本力統一起來、描述整個物理世界奠定了基礎。
弦理論被視為是物理學界追求"統一萬物理論"的一種嘗試，它優美簡潔的數學形式已吸引了大批科學家的青睞,他們被其內在的數學美感深深打動,並堅信弦理論能夠令人滿意地描述整個物理世界。
弦理論的核心思想是,把原子核外圍存在的所有基本粒子都看作是由微小的"弦"構成,而不同粒子實際上是這些弦以不同的振動模式存在。有趣的是,弦理論中的引力也被看作是一種特殊振動模式,對應著一種傳遞引力相互作用的全新粒子"引力子"。雖然弦理論推導出需要在11維時空中工作，而我們生存環境只有3維空間+1維時間，但物理學家相信額外的7個"卷曲空間"尺度極小,只有約10的-33次方厘米那麼大小,所以無法被我們當前的技術手段直接檢測到。
有了這一全新的理論工具,科學家已經開始利用弦理論探索一些困擾人類已久的宇宙奧秘,比如黑洞內部會發生什麼?宇宙大爆炸過程又是如何進行的?甚至還有人嘗試用弦理論來捕捉推動宇宙加速膨脹的神秘暗能量的本質。可以說,弦理論正在為解開宇宙終極之謎鋪平道路。雖然目前還有許多理論難題有待解決,但弦理論已經為人類認識自然規律開辟了全新的視角。
而說起弦理論，就繞不過一位華裔數學家丘成桐，他畢業於北京大學物理系後,曾在中國科學院高能物理研究所和北京大學物理系工作。1984年,他前往麻省理工學院做訪問學者,開始了自己在弦理論領域的研究生涯。
當時的弦理論分為5種不同的版本:I型、II型A和B、異常E8×E8理論和異常SO(32)理論。盡管它們在數學上是一致的,但在物理上存在著微妙的差異。丘成桐在20世紀90年代後期提出了他著名的"M理論猜想",主張將各種不同的弦理論統一到一個更高層次的"M理論"中。
M理論的"M"本身就是一個謎,有"神秘的"、"母理論"等解釋,但其精確定義尚未確立。丘成桐認為,M理論應該是一個11維的量子理論,能夠在某些極端條件下分別導出5種已知的超弦理論。它有望成為一個真正的"終極理論",統一所有的基本力和物質。
M理論猜想提出後,迅速成為弦理論研究的主流方向。科學家們試圖通過研究各種極端情況下M理論的表現形式,來推導和檢驗這一猜想。例如,在M理論的某些極限下,會出現被稱為"D-brane"的高維膜狀物質,這為解釋黑洞熵等重大問題提供了新思路。不過,最近弦理論也受到了越來越多的質疑和審視。它提出的許多預言和推測,目前都還無法用現有的科學技術加以驗證。所以，有一些研究人員開始懷疑,他們是否陷入了一個永無止境的"黑洞"般的探索,注定難以取得實質性突破。
2011年,眾多物理學家聚集在紐約的美國自然歷史博物館,參加了第11屆艾薩克·阿西莫夫紀念辯論,討論將弦理論視為描述現實世界的可行理論是否合理。在辯論會上,博物館海登天文館館長尼爾·德格拉斯·泰森開玩笑般提出了一個挑釁性的問題:"你們是在追逐幽靈,還是集體太愚蠢以至於無法解決這個理論難題?"他指出,弦理論在過去的幾年裏的研究進展一直斷斷續續,疑似陷入了瓶頸期。
這些質疑的存在,反映出對於弦理論這一宏偉理論倡議,科學界內部也存在不小的分歧和爭議。一方面,弦理論展現了極高的數學美感和解釋力;但另一方面,由於其高度抽象和缺乏實驗支撐,也很容易陷入無謂的"比特豐構"中無法自拔。這種爭論的存在正是學術研究應有的進路,只有不斷地相互檢視、質疑和辯論,才能最終讓科學走向真理。
最近,對弦理論的質疑還來自理論本身內在的一些困境。根據弦理論的推導,除了我們所居住的這個宇宙之外,可能還存在著大量其他的"平行宇宙",其數目之多是一個難以置信的數字——10的500次方個0(就是1後面跟著500個0)!這個被稱為"多元宇宙"的設想,似乎為我們觀測到的這個宇宙提供了足夠多的可能性之源。也就是說,如果科學家們持續探索這些可能性,總有一天會找到與我們所處宇宙版本完全相符的那一個。
然而,在2018年有一篇影響力很大的研究論文指出,在這無數假設的平行宇宙中,似乎都沒有一個與我們所見所察到的宇宙完全吻合。具體來說,每一個平行宇宙中都缺少對應我們目前所理解的"暗能量"的描述。而暗能量是導致宇宙目前加速膨脹的一種神秘力量,是當今物理學中最大的難題之一。
德國法蘭克福高等研究院的物理學家薩賓·霍森費爾德就曾對弦理論持批評態度。她之前表示:"弦理論家們提出了看似無窮無盡的數學結構,但這些複雜的理論與我們實際觀測到的結果之間,目前還沒有任何已知的聯系。"
這一批評實際上道出了弦理論目前所面臨的最大困境:極高的數學抽象複雜性與可檢驗性之間的鴻溝。如何將弦理論這一崇高的理論大樓與我們的實際宇宙觀測結果貫通?如何給出清晰的實驗預言並通過實驗加以驗證?這仍然是擺在弦理論家面前的一大挑戰。
其他研究者則堅持認為弦理論終有一天會產生成果。密歇根大學的物理學家戈登·凱恩在《今日物理》雜志上撰文表示，隨著目前正在進行的升級，大型強子對撞機可能在不久的將來提供弦理論的證據。但理論的最終命運仍未知。
來自：Glaze的晶彩cake
