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01 STANDARD MODEL 标准模型 我们的宇宙包含物质，而如果仔细观察，我们就会发现，它们是由粒子组成的。粒子有许多种类：电子、夸克和中微子。粒子在宇宙中运动，彼此间也可以通过交换其他粒子进行相互作用，比如电磁力通过交换光子传递。而这些不同的粒子都在我们所谓的标准模型中得到了解释。 标准模型（如下图）被认为是我们目前为止对量子世界最精确的数学描述。它包含两类主要的粒子：主要构成物质的“费米子”和主要描述相互作用的“玻色子”。  乍一看，人们可能会以为标准模型就是最终极的理论，毕竟它能描述一切。但不幸的是，有一种相互作用是标准模型无法解释的——引力。 我们知道在宏观上，引力由广义相对论描述：物体弯曲时空从而吸引其他物体。那么和其它相互作用一样，我们自然会希望时空弯曲也是由微观的量子尺度的微小粒子构成，我们把这种粒子叫做引力子。但当我们试图将引力子纳入到标准模型中时，计算结果就会得到奇怪的无法被消掉的无穷量。也就是说，在标准模型下，我们无法在量子尺度上描述引力。为了解决这个问题，半个多世纪以来，物理学家们一直在寻找新的理论，而我们这篇文章中所将要讲到的弦理论，就是其中比较靠谱的一个。  02 BOSONSTRING THEROY 玻色弦理论 首先我们来说玻色弦理论，玻色弦理论的基本思路很简单，在标准模型中，粒子被描述为点，微小的没有维度的点，我们通过公认这些点不都具有相同的属性以说明不同类型的粒子的事实。而在弦理论中，我们假设这样用点描述粒子只是一个近似，而如果我们将这些点放大来看，这些粒子都由微小的弦组成。它们有时是开弦，有时是闭弦，且这些微小的弦像是橡皮筋一样具有张力，可以振动。就像吉他、琵琶和古筝这些乐器可以通过弦的不同的振动方式发出不同的声音，这些微小的弦也可以通过不同的方式振动：一个波纹，两个波纹，三个波纹……不同的振动波纹在我们的尺度上能够表现出不同类型的粒子。  在计算时，科学家也确实从中发现了与光子行为相像的一些弦，而更让人欣喜的莫过于 有些弦表现得像引力子。 仅从粒子是具有张力的微型弦这一单一原则出发，弦理论就已经解释了为什么会有不同类型的粒子，而且很自然的预测了引力子的存在，进而做到了在量子尺度上描述引力。 那现在让我们来说说这些弦是如何在宇宙中演变的，期间我们将继续使用与我们现有模型相同的原则。 想象一下，当我们向一个目标抛出一个电子，电子像波一样传播，当电子打到目标上时，我们无法确定   它会在何处成像。因此，在量子尺度上，同一个实验可以得到不同的结果。我们能做的只是预测我们观察到的这样或那样的结果的概率。在这种尺度下的物理学目标也就是确定这些概率。在数学上，我们确定观察到某一特定结果的概率的方法为同时考虑所有可能导致这种结果出现的情况。也就是对所有的轨迹和所有可能的相互用进行汇总。例如，一个电子可以发射  一个光子然后重新将其捕获、吸收，或者发射两个，或者多个光子。在过程中我们认为允许这样或那样的相互作用来重现我们在现实中观察到的情况，并将所有的情况相加，得到所需的概率。在弦理论中我们亦是使用同样的方法，但此时的粒子不再是点而是微小的弦。点随着时间划过的是一条线，而弦则变成了一个面。沿用上述确定概率的方法，我们需要考虑弦随时间变化的所有可能的几何形状：它可能是一条特殊的轨迹，也可能是以一种特定的方式振动，也可能会复制自己，相当于发射一个粒子或与之重新结合，相当于重新吸收粒子。通过对所有的这些几何形状进行总结，玻色弦理论自然而然地包括了相互作用，无需我们手动加入。在标准模型中的相互作用是局部的，比如发射一个光子是在一瞬间完成的，而玻色弦理论中这一过程会是持续的，粒子不再是一瞬间发射出去，而是逐渐发射出去（如下图）。这样就消除了我 们试图把引力子纳入标准模型时产生的无穷量。这样一来弦理论不仅预测了引力子的存在，还可以计算引力子和其它粒子的相互作用，因此让我们能够描述量子引力。 看起来这是个不错的理论对吧，但是这一阶段的模型暴露出了三个致命问题：第一个问题是，所有的弦都表现得像玻色子，而与之同位于标准模型中的费米子没有被玻色弦理论的模型预测出来。第二个问题是玻色弦理论预测出了一种特殊的粒子——快子。其质量被认为是虚数，这是一个我们必须要消灭的问题，因为快子的存在表明模型不稳定。最后第三个也是最致命的问题是，我们的时空只有四个维度：三个空间维度加一个时间维度。但是这个理论似乎只适用于26维宇宙。因此就这三个问题来看，玻色弦理论似乎离可以正确的描述、预测我们的宇宙还差很远。 03 SUPERSTRING THEROY 超弦理论 为了解决这三个问题，我们需要推动理论进一步向前发展，因此超弦理论诞生了。为了将费米子加入进来，科学家们给出的思路是给弦加上旋量，这是在标准模型中成功描述费米子的数学组成。通过简单的加入旋量，三个致命问题就被解决掉了两个：现在我们的模型可以预测费米子的存在，且不再预测快子这个“问题儿童”。不仅如此，在我们加入了旋量以后模型中我们预测到的的费米子和玻色子基本对称，也就是有多少个费米子就有多少个玻色子，我们称之为超对称。前两个问题完美解决，那么第三个问题呢？事实上，在超弦理论的模型下，只要求一个10维宇宙，但这依旧远远超出我们宇宙所拥有的四个维度。但是这个理论目前看起来已经很靠谱了，因此科学家们比起放弃这个理论，更愿意找到多出来的那六个维度在哪里。因此，科学家们提出了两种假设：第一是我们的宇宙只是一个更大的九维宇宙的三维切片。第二是我们未能观察到剩余的六个维度蜷缩在它们自身之中。听起来很难理解对吧。没关系，让我们一起来做个想象：一只蚂蚁在一根吸管上爬行，它有两个维度可以 行走，分别是前后或者绕行，但是一旦我们将这个画面放的足够大，环绕吸管的这个维度就会变得非常小  ，以至于在如此大的尺度下我们根本无法观测到，在超弦理论中那多出来的六个维度也同理无法在我们的尺度下被观测到。这个理论其实是非常有意义的，我们想象一下，一个粒子在绕着一个我们无法观测到的维度旋转同时也在沿着一个我们可以观察到的维度前行，这样以我们的维度来看，粒子做的不是复杂的螺旋运动，而仅仅是直线运动，但是速度会下降，因此看上去就好像有了质量。这种额为维度紧致化的思想暗示了有一种很简单的机制，通过这种机制可以表示出大质量，我们称之为克鲁扎-克莱因机制。 然而目前为止我们的粒子加速器还不足以产生足够大的能量来将这些额外的维度创造出来以确认其存在与否。但这些额外维度若存在，必然会使得振动的模式更加多元化，我们能预测到的粒子也必然增加。此外，有许多不同的方式来蜷缩额外的六维空间，每一种可能性都会预示着一个不同的宇宙，通过调整其蜷缩方式我们可以在其中选出与我们所处宇宙最为接近的一种，也就是说，在茫茫多的可能性中，我们还不清楚到底为什么我们的宇宙会包含标准模型中的粒子而不是其他可能。根据一些假说的说法，宇宙的几何形状甚至可能随着时间的推移而不断变化，也就意味着物理定律可能在我们宇宙的最初阶段发生了变化。 总而言之，弦理论至今仍是一个推测性模型，很难通过实验验证，因为弦实在是太小了。而这也只是在寻求终极理论中的众多方法之一，但也是最靠谱的模型之一，其见解已经远远超出了最初的目标：它不仅让我们成功在量子尺度上描述了引力，还解决了很多数学问题，甚至给出了轴子等粒子的假想候选者，来潜在的解释暗物质。这也就意味着仍然有大量的研究工作需要进行。 最后实际上存在五个不同版本的超弦理论，描述不同类型的宇宙，我们可以从数学上证明，这五个理论其实是一个单一的更完整的模型的近似，也就是描述11个维度的——M理论。 参考文献： 百度百科、360百科、维度百科 |
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