弦理论被视为20世纪物理学两大支柱——量子理论与相对论的大统一尝试,其终极目标是构建一个能够解释整个物理世界的综合框架。这一理论颇具独创性,它打破了将粒子视为单纯的点粒子这一传统观念。相反,弦理论假设粒子实际上是由一维的、微小的弦状实体组成,这些"小弦"的振动方式决定了粒子的诸多本征属性,如质量、电荷等。

值得一提的是,弦理论不只局限于描述微观世界的运作,它也对宇宙的形成和演化提出了自己的见解。据推测,早期宇宙处于十维时空状态,而后部分维度发生"卷曲",进而衍生出我们今天观察到的四维时空。这一充满想象力的理论为解释宇宙的起源和结构提供了全新的视角。

弦理论的吸引力在于,它有望统一所有的基本力,包括强核力、弱核力、电磁力以及广义相对论所描述的万有引力。如果弦理论最终获得实验验证,那它必将成为迄今为止描述自然规律最根本、最完整的理论体系。

这一反直觉的思想最初于20世纪60年代至70年代发展起来，当时弦被用来模拟欧洲亚原子对撞机产生的数据，弦提供了一种描述强相互作用（宇宙四大基本力之一，负责维持原子核的稳定）的优雅数学方法。

弦理论作为一种颇具革命性的新兴理论,起初并未受到主流科学界的广泛重视,长期处于边缘化状态。直到1984年,理论物理学家迈克尔·格林和约翰·施瓦茨提出了一组新方程,展示了弦状实体如何较之传统点粒子模型避免了一些内在矛盾。这一初步进展为弦理论拓展了广阔前景,但同时也导致出现了五种互不统一的理论版本,分别描述了一维弦在十维宇宙中振动的不同方式。

转机出现在1995年,被称为"第二次弦理论革命"。物理学家们逐步认识到,这五种看似独立的理论实则是相互关联的,并且都可以与另一种被称为"超引力理论统一起来。这一突破性进展标志着当代主流弦理论框架的形成,为之后将各种基本力统一起来、描述整个物理世界奠定了基础。

弦理论被视为是物理学界追求"统一万物理论"的一种尝试，它优美简洁的数学形式已吸引了大批科学家的青睐,他们被其内在的数学美感深深打动,并坚信弦理论能够令人满意地描述整个物理世界。

弦理论的核心思想是,把原子核外围存在的所有基本粒子都看作是由微小的"弦"构成,而不同粒子实际上是这些弦以不同的振动模式存在。有趣的是,弦理论中的引力也被看作是一种特殊振动模式,对应着一种传递引力相互作用的全新粒子"引力子"。虽然弦理论推导出需要在11维时空中工作，而我们生存环境只有3维空间+1维时间，但物理学家相信额外的7个"卷曲空间"尺度极小,只有约10的-33次方厘米那么大小,所以无法被我们当前的技术手段直接检测到。

有了这一全新的理论工具,科学家已经开始利用弦理论探索一些困扰人类已久的宇宙奥秘,比如黑洞内部会发生什么?宇宙大爆炸过程又是如何进行的?甚至还有人尝试用弦理论来捕捉推动宇宙加速膨胀的神秘暗能量的本质。可以说,弦理论正在为解开宇宙终极之谜铺平道路。虽然目前还有许多理论难题有待解决,但弦理论已经为人类认识自然规律开辟了全新的视角。

而说起弦理论，就绕不过一位华裔数学家丘成桐，他毕业于北京大学物理系后,曾在中国科学院高能物理研究所和北京大学物理系工作。1984年,他前往麻省理工学院做访问学者,开始了自己在弦理论领域的研究生涯。

当时的弦理论分为5种不同的版本:I型、II型A和B、异常E8×E8理论和异常SO(32)理论。尽管它们在数学上是一致的,但在物理上存在着微妙的差异。丘成桐在20世纪90年代后期提出了他著名的"M理论猜想",主张将各种不同的弦理论统一到一个更高层次的"M理论"中。

M理论的"M"本身就是一个谜,有"神秘的"、"母理论"等解释,但其精确定义尚未确立。丘成桐认为,M理论应该是一个11维的量子理论,能够在某些极端条件下分别导出5种已知的超弦理论。它有望成为一个真正的"终极理论",统一所有的基本力和物质。

M理论猜想提出后,迅速成为弦理论研究的主流方向。科学家们试图通过研究各种极端情况下M理论的表现形式,来推导和检验这一猜想。例如,在M理论的某些极限下,会出现被称为"D-brane"的高维膜状物质,这为解释黑洞熵等重大问题提供了新思路。不过,最近弦理论也受到了越来越多的质疑和审视。它提出的许多预言和推测,目前都还无法用现有的科学技术加以验证。所以，有一些研究人员开始怀疑,他们是否陷入了一个永无止境的"黑洞"般的探索,注定难以取得实质性突破。

2011年,众多物理学家聚集在纽约的美国自然历史博物馆,参加了第11届艾萨克·阿西莫夫纪念辩论,讨论将弦理论视为描述现实世界的可行理论是否合理。在辩论会上,博物馆海登天文馆馆长尼尔·德格拉斯·泰森开玩笑般提出了一个挑衅性的问题:"你们是在追逐幽灵,还是集体太愚蠢以至于无法解决这个理论难题?"他指出,弦理论在过去的几年里的研究进展一直断断续续,疑似陷入了瓶颈期。

这些质疑的存在,反映出对于弦理论这一宏伟理论倡议,科学界内部也存在不小的分歧和争议。一方面,弦理论展现了极高的数学美感和解释力;但另一方面,由于其高度抽象和缺乏实验支撑,也很容易陷入无谓的"比特丰构"中无法自拔。这种争论的存在正是学术研究应有的进路,只有不断地相互检视、质疑和辩论,才能最终让科学走向真理。

最近,对弦理论的质疑还来自理论本身内在的一些困境。根据弦理论的推导,除了我们所居住的这个宇宙之外,可能还存在着大量其他的"平行宇宙",其数目之多是一个难以置信的数字——10的500次方个0(就是1后面跟着500个0)!这个被称为"多元宇宙"的设想,似乎为我们观测到的这个宇宙提供了足够多的可能性之源。也就是说,如果科学家们持续探索这些可能性,总有一天会找到与我们所处宇宙版本完全相符的那一个。

然而,在2018年有一篇影响力很大的研究论文指出,在这无数假设的平行宇宙中,似乎都没有一个与我们所见所察到的宇宙完全吻合。具体来说,每一个平行宇宙中都缺少对应我们目前所理解的"暗能量"的描述。而暗能量是导致宇宙目前加速膨胀的一种神秘力量,是当今物理学中最大的难题之一。

德国法兰克福高等研究院的物理学家萨宾·霍森费尔德就曾对弦理论持批评态度。她之前表示:"弦理论家们提出了看似无穷无尽的数学结构,但这些复杂的理论与我们实际观测到的结果之间,目前还没有任何已知的联系。"

这一批评实际上道出了弦理论目前所面临的最大困境:极高的数学抽象复杂性与可检验性之间的鸿沟。如何将弦理论这一崇高的理论大楼与我们的实际宇宙观测结果贯通?如何给出清晰的实验预言并通过实验加以验证?这仍然是摆在弦理论家面前的一大挑战。

其他研究者则坚持认为弦理论终有一天会产生成果。密歇根大学的物理学家戈登·凯恩在《今日物理》杂志上撰文表示，随着目前正在进行的升级，大型强子对撞机可能在不久的将来提供弦理论的证据。但理论的最终命运仍未知。

来自：Glaze的晶彩cake