十维空间如何计算宇宙？
弦理论出现在1968，但它是从一个非常偶然的线索开始的:它与引力和宇宙无关。那一年，欧洲核子研究中心的意大利物理学家维尼齐亚诺(Winicki Veneziano)翻阅一本数学书，在上面发现了一个叫“欧拉β函数”的东西。Winicki Yano方便地将其应用于所谓的“Regge轨迹”，并进行了一些计算。结果他惊讶地发现，这个早在1771就因为纯数学原因被研究的欧拉函数，可以很好地描述核子中许多强相对力的作用！
Winicki Yano没有预见到后来发生的变化，也不知道自己打开了一扇什么样的门。其实他很可能在不经意间做了一件让我们超越时代的事。爱德华·威滕后来经常说，超弦原本属于21世纪的科学，我们能够在20世纪发明和研究它，其实是历史上一个非常幸运的偶然。
Winicki的Arno模型几乎同时被三个人注意到，他们是芝加哥大学的南部阳一郎，犹太大学的Suskin和波尔研究所的Nelson。三个人证明了这个模型在描述粒子的时候相当于描述了一个一维的“弦”！这是一个非常奇怪的结果。在量子场论中，任何基本粒子一直被认为是一个没有长度和宽度的小点。怎么会变成字符串呢？
虽然这个结果出乎意料，但加州理工学院的约翰·施瓦茨(John Schwarz)与当时正在那里访问的法国物理学家卡尔克(Kark)合作，研究了这个理论的一些性质。他们把这根弦看作束缚夸克的纽带，即夸克被束缚在弦的两端，这使得它们永远不会从原子核中分离出来。这听起来不错，但他们在计算结束时发现了一些奇怪的事情。比如，理论需要一个自旋为2的零质量粒子，但是这个粒子在核谱系中找不到自己的位置(你可以想象一个化学家如果发现一个不能插入元素周期表的元素会有多疯狂？)。此外，该理论还预言了一种速度超过光速的粒子，即所谓的“超光速粒子”。你可能首先会认为这违反了相对论，但严格来说，超光速粒子是可以存在于相对论中的，只要它们的速度永远不会降到光速以下！真正的麻烦是，如果把这种超光速粒子引入量子场论，那么真空就不再是场的最低能态，也就是说，即使是真空也会变得不稳定，它肯定会衰变成别的东西！这显然是无稽之谈。
更让人无法理解的是，弦理论要想自圆其说，就必须要求我们的时空是26维！普通的时空我们很容易理解:它有三维空间，加上1维时间。额外的22维是什么？这种引入多维空间的理论以前也出现过。玻尔在哥本哈根的助手奥斯卡·克莱恩(Oskar Klein)可能还记得，他曾经将“第五维度”的概念引入薛定谔方程。克莱因从量子的角度出发，在他之前，爱因斯坦的忠实追随者西奥多·卡鲁扎(Theodor Kaluza)也从相对论的角度做了同样的尝试。后来，人们把这一理论统称为卡鲁扎-克莱因理论(或KK理论)。但这些理论最终都胎死腹中。真的很难想象，我们如何让公众相信我们实际上生活在一个超过4维的空间里？
最后，量子色动力学(QCD)的兴起让弦理论失去了最后的吸引力。前面我们提到，QCD成功俘获了强相互作用力，以山为王，得到了大多数物理学家的认可。在这样的内忧外患中，最初的弦理论很快就被遗弃，被冷落在角落里。
在弦理论最惨淡的日子里，只有施瓦茨和卡尔克沿着这条路坚持了下来。1971年，施瓦茨和皮埃尔·雷蒙合作，将原本需要26维的弦理论简化为只需要10维。引入所谓的“超对称”思想，每个玻色子对应一个对应的费米子(玻色子是自旋为整数的粒子，比如光子)。费米子的自旋是半整数，比如电子。粗略地说，费米子是组成“物质”的粒子，而玻色子是携带“力”的粒子。与超对称性的结盟使弦理论获得了前所未有的力量，这使它能够同时处理费米子。更重要的是，它使一些理论上的难题(如超光速粒子)消失，它在引力方面的光明前景逐渐显现。不幸的是，在弦理论的第一道曙光出现时，卡尔还没来得及征服，他就死了，他患了严重的糖尿病，死于1980。施瓦茨不得不向伦敦玛丽女王学院的迈克尔求助。6?1(米歇尔·格林)，他们终于完成了超对称弦理论的结合。他们惊讶地发现，这个理论被彻底改造，完成了一次强大的升级。现在，旧的“弦理论”已死，新的是强大的“超弦”理论。这个“超对称性”的新头衔是赋予它的至高荣耀。
施瓦茨和格林欣喜若狂，当他们将他们的模型应用于重力时，他们可以听到自己的心跳。虽然旧弦论预言的自旋为2，质量为0的粒子在强子中找不到自己的位置，但是符合相对论！其实就是传说中的“引力子”！在与超对称性结盟后，新的超弦吸收了另一个有前途的军队，即所谓的“超引力理论”。现在，谢天谢地，计算引力时不再出现无穷大！计算结果有限，有意义！引力防御力量整天防备着粒子的攻击，但当我们不再把粒子看成一个点，而是一根弦，我们就可以溜进去，绕过煞费苦心布置的无限防线，从而第一次深入引力王国。超弦的初衷是对付强力，现在它的注意力完全转向了引力:我的天啊，如果我们能征服引力，还有别的吗？
重力的计算在1982左右完成。到了1984，史华兹和格林取得了一场关键的胜利，让超弦惊动了整个物理界:他们解决了所谓的“反常”问题。本来超弦中有无穷多种对称可供选择，但经过仔细考察，Schwartz和Green发现，只有在极其有限的对称形式下，理论才能消除这些异常并自洽。这使我们能够认真检查那些特定的超弦理论，而不必同时处理无限的可能性。更好的是，所选的组可以刚好包含现有的规范场理论和粒子的标准模型！伟大的胜利！
爆发了“第一次超弦革命”。不久前超弦被辞退，极度冰冷的物理学界突然被附体，涌出罕见的热情和关注。成百上千的人争先恐后地投身于这一领域，以至于格劳斯后来说，“在我的经历中，我从未见过对一个理论有如此的热情。”短短三年时间，超弦完成了一次极其漂亮的帝国反击，让他那些年所受压抑的怒火迅速吐了出来。与此同时，像爱德华？6?1威滕和以格劳斯为首的“普林斯顿超弦四重奏”小组都做出了极其重要的贡献，但我们无法详细描述。网上有很多关于超弦的资料。如果有兴趣的读者可以参考这个详细的索引:
arxiv.org/abs/hep-th/0311044
第一次革命之后，我们得到了这样一个图像:任何粒子其实都不是传统意义上的一个点，而是一个开放的或封闭的弦(头尾连成一个环)。当它们以不同的方式振动时，它们对应于自然界中不同的粒子(电子，光子...包括引力子！)。我们仍然生活在一个10维的空间里，但是六维紧紧蜷缩着，所以我们通常不会注意到。想象一根水管。如果从远处看，它细如线，结构只有1维。但是如果你真的把它放大，你会发现它是有横截面的！这个二次元是卷曲的，以至于一眼看不出来。以超弦的形象来说，我们的世界也是如此。由于某种原因，六维收缩得如此之紧，以至于乍一看，宇宙只有四维(三维空间加上1维时间)。但如果我们把时空放大到所谓普朗克空间的尺度(约10-33 cm)，就会发现，时空里原本被视为“点”的东西，其实是一个6维的“球”！这六个卷曲的维度不断被扰乱，导致所有的量子不确定性！
这场革命让超弦一举成名，成为一个普遍的理论候选人。当然，也有少数物理学家对此仍持怀疑态度，比如glashow和Feynman。霍金对此并不十分热心。你可能还记得我们之前描述过，在Spector实验之后，BBC的布朗和纽卡斯尔大学的戴维斯专门采访了几位量子理论的专家。现在物理学界超弦热方兴未艾，这两个家伙也没闲着。他们又出来了，邀请了9位弦理论和量子场论最杰出的专家到BBC采访。这些记录也在1988以“超弦:万有理论？”？》，剑桥出版社出版。阅读这些记录，我们可以发现，虽然专家们没有量子论那么吵，但分歧还是很明显的。费曼甚至带着沧桑的态度说，他年轻的时候注意到很多老人迂腐地抵制新思想(比如爱因斯坦抵制量子论)，但是当他自己也成了老人的时候，他其实也不由自主地做了同样的事情，因为有些新思想真的很怪异——比如弦理论！
人们很自然的会问，为什么会有六维蜷缩？这六个维度有什么区别？为什么不蜷缩在五维或八维里？这个旋度的拓扑性质是什么？有什么办法证明吗？由于弦论的尺度是如此之小(普朗克空间)，人们缺乏必要的技术手段直接通过实验来认识它，弦论的计算是如此的复杂和困难。不用说，我们不能确定方程本身，只能采用近似法！更糟糕的是，第一次革命过去后，虽然人们洗掉了很多可能的对称，但仍有五种超弦理论，每一种都采用了10维时空，并且可以被证明是正当的。这五种理论哪个是正确的？人们怀着极大的热情赶到这里，却发现自己被困住了。弦理论的热潮很快平息，很多人回到了自己的领域，第一次革命尘埃落定。
直到90年代中期，超弦才再次从沉睡中醒来，完成了绝地反击。这次是爱德华唤醒了它？6?1威顿。在1995南加州大学举办的超弦年会上，威尔顿让所有人大吃一惊。他证明了耦合常数不同的弦理论其实本质上是一样的！我们只能用微扰法处理弱耦合理论，也就是说耦合常数很小，这种情况下五种弦理论看起来差别很大。但是，如果我们把耦合常数逐渐放大，它们应该是一个大理论的五个不同变体！特别是当耦合常数放大后，出现了一个新的维度——11维度！这就好比一张纸只有两个维度，但是当你把很多张纸叠在一起，一个新的维度就出现了——高度！
换句话说，还有一个更基础的理论，现有的五大超弦理论就是它在不同情况下的极限，而且相互包容！就像那个著名的寓言——盲人摸象。有人摸鼻子，有人摸耳朵，有人摸尾巴。虽然这些人的感觉非常不同，但他们触摸的是同一只大象——只是每个人都触摸了它的一部分！布赖恩·格林在1999的《优雅的宇宙》中举了一个相当搞笑的例子。我们来玩一下:想象一个热带雨林的当地人，他喜欢水，但从未见过冰。相反，一个爱斯基摩人喜欢冰，但是因为他生活的地方太冷了，所以他从来没有见过液态水(毫无疑问，现实中的爱斯基摩人见过水，但是但是奇妙的事情发生了:在沙漠炎热的一天，爱斯基摩人的冰融化成了水！而在寒冷的夜晚，水又冻成冰了！两人终于意识到，其实喜欢的是同一个东西，只是在不同的条件下形式不同而已。
这样，五个超弦全部包含在一个统一的图像中，物理学家终于可以松一口气了。这个统一的理论被称为“M理论”。就像没有人知道007电影中的博士发明家为什么叫“Q”(扮演他的老演员在1999年车祸去世，所以我在此纪念)，也没有人知道这个“M”到底是什么意思。也许发明者原意是“母亲”，意思是它是五大超弦的母亲理论，但也有人认为它“神秘”(。国内有人喜欢称之为“摸论”，意思是“盲人摸象”！
在M理论中，时空变成11维，由此可以推导出所有五种10维的超弦理论。事实上，因为多了一个维度，我们就有了另一个超重力的变体，所以一个* * *就是六个导数！这时候我们再看时空的基本结构，会发现它不仅是1维的弦，还有0维的点，2维的膜，3维的泡，或者4维的……我想不出4维的标题。其实这个基本结构可能有任何维度——从0维到9维！M理论的诡异程度比超弦还要厉害。
无论超弦还是M理论，都是刚刚起步，还有很长的路要走。虽然极其复杂，但超弦/M理论已经取得了一定的成功，甚至可以解释黑洞熵的问题——1996，Strominger和Vafa的论文为此开辟了道路。在那之前不久的一次演讲中，霍金还讽刺道:“弦理论迄今为止的表现相当悲惨:它甚至无法描述太阳、更不用说黑洞的结构。”但他最终改变了主意，加入了弦理论的潮流。m理论是“第二次超弦革命”的一部分，现在这场革命的硝烟已经散尽，超弦进入了休眠期。PBS后来在格林的书的基础上制作了一个关于超弦的电视节目，在公众中引起了相当大的热潮。也许很快就会有第三次、第四次超弦革命，从而最终完成物理的统一，这是我们谁都无法预见的。
值得注意的是，从弦理论开始，我们开始注意到，似乎量子论的结构更加基本。过去人们喜欢用经典的手段确定理论的大致框架，然后对量子理论进行详细的修改，可以称之为“自大而渺小”的方法。但在弦理论中，必须先引入量子论，然后才能导出大尺度上的时空结构！人们开始意识到，也许“从小长大”才是解释宇宙的根本方式。现在大多数弦理论学家认为量子理论在其中起着关键作用，量子结构不需要修正。广义相对论的方式很可能是错误的。虽然它的几何结构很奇妙，但只能委屈地退到推论的位置——不是基本假设！很多人认为，只有进一步依靠量子的力量，超弦才会有更光明的未来。虽然我们的量子是如此的奇特，但是上帝赋予了它无与伦比的力量，让它在自己的光辉下掌控整个宇宙。请收养我，非常感谢！