颠覆爱因斯坦相对论的超弦理论，到底是怎么回事？

本文来自微信公众号：混沌学园 （ID：hundun-university），作者：混沌学园，题图来自：《星际穿越》

20 世纪，科学爆发式发展，物理学发生了两次大的革命：一次是颠覆牛顿物理学的狭义相对论和广义相对论，另一次则是量子理论的建立。但是，量子场论和广义相对论互不相容，一种可以调和矛盾的统一理论就成了必要。

爱因斯坦在生命最后的30年里，一直在寻找统一场论。

但是，至死爱因斯坦也未能实现他的梦想。直到弦理论的出现，才让这件事有望变成现实。

什么是弦理论？超弦理论是否是真正意义上的统一理论？为什么说整个宇宙如同屏幕上的一个点？

2023年1月，混沌文理院第四期第五模块“超弦：物理学大一统理论”在古城长沙开课。南方科技大学物理系教授、理论物理学家李淼老师带领同学们一起领略“弦的世界”，探究宇宙从微观到宏观的底色，掀开了弦理论的神秘面纱。李淼老师是中国引力波计划发起人，也是中国弦理论领域最有发言权的科学家之一。

本文回答了“弦是什么”以及“如何用弦理论来看多元宇宙”这两个核心问题。以下为李淼老师的分享：

弦其实非常简单

弦是什么？其实非常简单，就是一根弦。所谓闭弦就是封闭的，是个圆，这根弦做振动。当弦不发生相互作用的时候，作为一个自由的个体，它不跟外界打交道，永远是同一个模式。如果它是更加复杂的模式，就永远是这个复杂的模式，没办法改变。在不考虑余音效应的情况下，有点像弹一架钢琴的弦，这根琴弦一直在响。

在上世纪80年代中期，物理学家突发奇想，能不能用不同的弦的振动方式来解释不同的情境。如果说弦是一种最简单振动，它代表光子，这个复杂的运动是不是能代表引力子，中间的东西代表夸克或者电子。这不光是自然的，在数学上居然能实现，真是一个奇迹。因为是奇迹，所以尽管没有任何实验，绝大多数的弦论物理学家认为弦论是绝对正确的。但我觉得弦论可能95%是正确的。

弹钢琴会发出不同的声音，同理，物理学家只是把基本的弦看成不同的粒子，不同的声音等于不同的粒子，而且它的质量居然可以跟基本粒子一一对应起来，这件事很奇妙。

弦的特性

怎么描述弦的运动？很简单，我们描写基本粒子的运动就是一根弦。如果是一个开弦，跟琴弦一样有两个端点，它运动起来是一个带状的图形（a）。如果是一个闭弦，是一个圆，它运动起来是一个柱状的图形（b）。

为什么说不同振动模式对应于不同的粒子？比如我们拉一根皮筋的时候会有力量，这是张力，如果是一根钢丝的话，这个力量要更大，说明钢丝的张力比橡皮筋更强。

不同振动的弦的长度是不一样的，这说明什么？张力储存的能量不一样。如果弦振动得更复杂，显然它的长度更长，因此张力所含的能量也就不一样。振动模式越高，弦的能量越大。所以在弦里，其实有无数的粒子。如果振动一个驻波是一种基本粒子，振动两个驻波的粒子能量就多出一倍，如果振动三个驻波，能量是振动一个驻波粒子的三倍。

弦论物理学家还能给弦上色。在标准模型描述中，有个基本的理论叫做量子场，简单理解就是把电磁场的量子规律写出来就叫量子场。弦在量子场论里是可以上色的。一根弦不上色，它表现的可能是光子，如果我把它上色，表现的就是电子。

弦的张力比钢丝要强太多倍，因此想要把它振动起来太困难了。振动钢丝的话，用弹琴的小锤子在琴弦上敲一下就行了，它就能振动起来。可是弦的张力巨大，大到每厘米千万吨，弦这么重怎么办？其实弦是微观的，它根本不可能到厘米这个量级，可能只有10的负几十次方厘米这个量级，因此，可能一根弦多振动一下就涨了10^-10克，因为它太短了。

弦是什么？

弦是什么？物理学家通过一个多世纪的剥洋葱，终于把这个世界剥成基本粒子。但是基本粒子又太复杂了，因为太多了，弦论物理学家想要的理论是个简洁的、简单的理论，于是他们就认为应当有弦存在。弦可以振动，不同振动模式形成不同的粒子。在弦论里有无限多个基本粒子，越重衰变得越快，这是可以计算的。弦最基本的相互作用就是一根弦变成两根弦。我们不能随意地给弦相互作用，不像规定电子可以释放出一个光子但不能释放出一个胶子，弦本身不用规定，因为它必须是一个基本的知识点。

第二个基本的知识点，弦的不同振动模式之间的质量差别是巨大的，因为弦的张力非常大，比我们想象的钢丝要强很多倍。至于弦的张力到底有多强，要靠未来的实验来决定。

两根弦相互作用，变成另外两根弦，有很多不同的方式。一个最简单的方式，然后加上一个稍微复杂的方式，有点像一个甜甜圈、两根甜甜圈、三根甜甜圈……加起来，就是所有的弦加起来，这种弦论叫做微扰论，也就是通过更加复杂的相互作用把它加起来，把更高阶的、更复杂的相互作用加起来。

这就是我们计算弦的基本工具，它不仅能把电磁学重复出来，还可以把爱因斯坦的广义相对论重复出来，这是弦非常神奇的地方。为什么弦论物理学家特别相信弦论是正确的，原因是从纯粹的逻辑理论上来讲，它可以把标准模型的所有的相互作用重复出来。

通过弦论认识到多维空间

通过给弦上色大家会发现什么？三度空间加一维的时间不够，弦论在三度空间里面运动是一个不自洽的运动，必须要九维空间加上一维时间，这就变成一个十维的时空了。这是上世纪七八十年代就已经发现的一些基本理论，也就是说如果弦论正确，我们现在真正的物理空间不是三维的，而是九维的。

现在很明显只存在三个空间领域，只有前后左右上下，如果空间是九维的，另外六维去哪里了？对于这个问题最早的理解是另外六维看不见，很小，就相当于我们生活在一个九维的海洋里面，但是这个海洋宏观的上面只有三维。

比如我们去看一个有微风的湖面，从远处看它是一个平整的镜面，从近处看实际上有很多浪，这些浪实际上也有上下。再比如蚂蚁在一个吸管上爬，从远处看那个吸管就是一根线，从近处看原来是个管，还有一个横向的维度，一个绕圈的，这些在远处是看不见的。同样的道理，我们想象一下，在每一个三维的空间点都会长很多维度，当然这里为了方便，长出来一个两个球面，我们可以想象它长成什么样，可以想象找到更多的维度。

多了这些空间以后，弦变得更加复杂了。弦可以在更多的维度里运动，也可以在更多的维度里振动，这样的话就多出更多的基本粒子出来。当然，由于这个空间的维度非常小，如果弦要在这些维度里运动和振动，它表现的基本粒子变得更加重。就像原子核一样，原子核实际上比原子小很多，但是由于我把很多基本粒子压在一个更小的空间里，所以原子核是很重的。因为不确定性原理，空间越小，能量越高。

如果一根弦同时在更高维的空间里面运动和振动，它所带来的额外能量是更多的。同样的话，加速器要产生这些基本粒子也很多，所以我们要验证额外的能量同样很困难。最近几年，有人认为引力波有可能在额外一个维度做运动，尽管运动一点点。如果能测量到引力波的速度比光速度小一点点，就有可能证明高维存在。

当然，真正的高维空间是非常复杂的，比如卡拉比-丘空间，丘指数学家丘成桐，卡拉比-丘就是六维的面，一个二维的截面就这么复杂，因为我们没办法画六维面，我们只能先取个截面，就是在六维里一刀切下来，就像切面包一样，一刀切下来都那么复杂。

在弦论的时代，能给弦上色，有五种上色方式，产生了五种弦。还有就是需要更高的空间，比如十维空间，我刚才说了人类必须生活在九维空间里，而还有一种理论是生活在十维空间里。有一个更大的理论，我们把它叫做M理论，对不同的弦论上色，甚至还可以长出更高一维空间。

非常不幸的是，到了1990年代末期，人们发现这个Master理论，不光长出五种弦，还能长出更多不同的物理的表现，然后我们又有一个叫弦景观的概念，就是说像一个巨大的景观。这是一个生物学里的名词，被弦论借用过来了。弦论物理学家也发现Master理论有太多不同种类了，但它有一个非常有趣的预言，就是很可能我们这个宇宙不是唯一的，我们看到的这个宇宙不是唯一的，对于弦理论的每一个角落都有很多宇宙。

在这个宇宙里面，物理学规律和基本粒子都不一样。因为基本粒子不一样，物理学规律也不一样，因为相互作用主要靠光子、引力子，除了引力子是大家都有，但是有的宇宙里面没有光，没有任何电磁效应，而有的宇宙里面可能没有原子核，因为它没有胶子。这其实有点像生物学，对于每一个动物植物的种属，有可能有很多不同的宇宙，这叫多元宇宙。

为什么宇宙里存在着生命？

为什么宇宙里存在着生命？这是奇迹中的奇迹。我们有四肢、有大腿、有眼睛，光是身上的DNA就复杂到比任何一个名牌手表，哪怕是双陀飞轮的手表都要复杂很多倍。一个DNA片段内有多少个碱基对，这个碱基对里面储藏了多少种信息，这个人是男的，这个人是女的，这个人头发是黑的还是黄的，这个人的眼瞳是蓝色还是灰色的，这个人将来要是身高是1.8米、1.85米还是1.7米，这个人将来智商是120还是110。有些特征是后天的，但是很多是先天的。

宇宙的起源基本上被解决了，物质的起源也基本上被解决了，太阳系的起源也基本被解决了，可是生命的起源呢？我们把一堆无机物，把除了什么碳的化合物以外的一堆氨基酸放在一起，放在一个大锅里面煮，什么时候能煮出一个DNA出来，花45亿年的时间也做不出来。相当于把100多个手表零件放在沙漠上，过了一万年去看看有没有一块完整手表出现，我不相信会出现。

所以物理学家分成两派。有一派相信人是创造出来的。还有一种就是基于多元宇宙，其中很多宇宙都是荒漠一片，没有生命，只是我们这个宇宙中了大奖，而且这个大奖就是我们地球中的，其他星球还没中。相当于有很多个人去买彩票，尽管只有一个大奖，总有一个人中大奖。一件事情发生的几率只有百万分之一，但是如果这件事情重复了一千亿次，我相信很多人都相信这件事情会发生。

解释了RNA和DNA，还得解释多细胞生命体，然后多细胞生命怎么来的，还得再解释从直立人到智人的出现，这中间是有断的链条的，从直立人到智人中间是没有连续的变化的。没有一个人种介于直立人和智人中间，我记得叫三磅宇宙，我们人脑是三磅，大概直立人的大脑只有我们一半不到，没有说有两磅人的存在，没有这个化石。这都是很神奇的奇迹，我们这个世界上存在智慧生命是奇迹中的奇迹。但是，我认为多元宇宙可以解释，不管多么奇迹，这种情况总是会发生的。

多元宇宙是怎么来的？

在热大爆炸宇宙出现之前，有个叫暴胀的时代，宇宙从一个微观的东西突然暴胀了10的26次方倍，变成篮球大小。这个看不见的空间其实是弦景观里的一个点，这个点是不稳定的，通常它不稳定的表现就是要暴胀，就像人站在山顶上会不稳定，然后突然摔下去一样。

暴胀同时可以解释多元宇宙，因为我们不知道这个不稳定点在什么地方，它有可能是随机的，就像撒豆子一样，比如说一张地毯是弦论景观，我一把豆子撒下去，这些豆子落在不同的地方。豆子落到这个地方就长出一个宇宙来，落到那个地方就长出一个宇宙来。也有人说，有的是撒进花园后长成参天大树，有的撒路上被路人踩，再也长不出来了。

空间上一个微观的一点，由于巨大的量子差，基于不确定性原理，有可能在这个微观的空间里面，它突然不确定到弦景观的某一个点去了，它就在这个地方又长出一个宇宙来，在这个地方长出第二个宇宙来等等。所以多元宇宙就是比套娃还要复杂很多倍的东西，只要有一点长出一个宇宙来，就可以长出万千个宇宙来。

一旦宇宙变成宏观了，但是微观上这个点是不确定的，它有可能在绝大多数时间里是好好的，但是有可能突然在某一个点长出了一个新的宇宙，当然我们看不见，为什么看不见？因为它不占用我们的空间，它是长到外面的宇宙。相当于我们吹气球吹爆了以后，我再吹出个气球来，跟原来气球没有任何关系，它不占用原来气球任何一个点。所以在我们根本不知道的情况下，宇宙上真的有可能长出一个宇宙出来。

这是一个多元宇宙的图像，有可能在我们卧室就有很多个宇宙，而这个宇宙有可能也变成一个大爆炸，有的可能爆炸不起来，又收回去了，有的就成长起来变成一个宏观的大宇宙，甚至里面会产生生命。

用人择原理来解释人类的出现

这里讲一下人择原理。多元宇宙是基础，必须很多宇宙，必须有很多人去买彩票，但人择原理第二部分就是人择，买到彩票的人，不要解释说我为什么中奖，反正我中奖了。换句话说，因为我中奖了，所以我才提这个问题。如果我不中奖，都没有人，根本没有人去问这个问题。

一个宇宙里很荒凉，怎么会有人去问为什么没有这个宇宙？但是我们这宇宙不荒凉，突然中奖了，出现智慧的大脑，然后又问为什么我在这儿，其实换句话说，不管出现在哪儿，我们都会问为什么我在这儿。所以多元宇宙讲人择原理，我对它很满意，因为我觉得它是最自然的，否则我很难给大家解释为什么把100多个零件放在沙漠上放1万年形成不了一块手表，因为我没有任何理论来解释这件事，因为机率太小了。

这个理论很快很容易被证明，如果科学家在火星上发现生命，我就被证明了，除非地球上生命和火星的生命有因果关系，那是另外一回事。

弦论的发展历程

最后回顾一下弦论的历史，弦论其实很简单，就是科学家拿一个更加基本的东西来代替很多不同的基本粒子。科学家发现，这个基本的东西，只有一个理论， M理论。但是后来各向前发展又很困难，发现弦景观真的有点像物种理论。

大家都知道，我们的物种向前追溯，可以追溯到最原始的一个单细胞，地球上所有的生命都是亲戚，只不过种类太多了。同样，不同的宇宙太多了，弦理论是一个非常美妙的理论，但也是非常令人头疼的理论，因为它的预言不确定，因为有太多不同的宇宙了。但是，我个人认为这是一项优点，它预言了多元宇宙，如果把人择原理用上，生命起源问题就不再是一个问题。

弦论是怎么来的？是物理学家凭空坐在屋子里制造出来的宫中楼阁吗？不是。在质子和中子里面都有三个夸克，这三个夸克怎么连在一起的？弦论物理学家认为它们中间通过交集形成一根弦，三根弦把它们绑在一起。电子是两个夸克，中间有一根弦把它们绑在一起。这是1960年代末物理学家们的发现，可以用弦论来解释，电子、质子和中子，而且解释得很好，所以它不是凭空构造出来的。

有两个人特别提到可以把弦论写出来，弦运动起来是一个面，要么就是个带子，要么就是一个圆柱体，我们可以把这个运动规律写出来。

到了关键的1980年代，有两位研究者提出十维时空理论，他们发现了两种弦，就给这个弦上色，有两种上色方法，是他们俩发现的。

1984年，超弦第一次革命，有研究者认为所有标准模型里的相互作用都可以通过弦论产生。与此同时，1984年到1985年的所谓的弦论第一次革命，把所有的五种弦都发现了。

1993年、1994年，有了D膜理论，通过D膜理论把Master理论挖掘出来，也就是M理论。D膜是什么？说白了就是认为在M理论里，除了弦存在以外，还会存在着不同维度的膜，比如像肥皂泡那种两维的膜，有两维的膜，甚至有三维的膜。解释九维空间或者十维空间时，我们把额外维变成一个很小的空间，这是一个方法，还有一个办法就是认为九维空间很开放，但是我们三维空间就是一个三维的膜，飘在九维空间里面，我们就相当于一个水上的水蜘蛛，这个水蜘蛛不生活在三维的水体里面，它只生活在水面上，我们像水蜘蛛一样只生活在这个三维的膜里面，这是一个膜宇宙。但是我不太相信膜宇宙是对的。

1997年，通过D膜的发现，又发现了一个非常奇妙的原理叫全息理论。全息原理说，有可能弦论还有另外一种写法，这种写法少了一维空间，比如我们这个三维空间在这儿，要描写一个人在那里运动，还有一种写法，只用两维空间来描写，这就是全息理论。全息是什么意思？我们看到宇宙在膨胀，我们会看到远处有一个最远的地方，当然这个最远的地方不严格。相当于我们站在在一个风平浪静的海面上，站在一个船上，我们向四周眺望，我们会看到海平面的尽头是个圆，再远的地方我们看不到了。

原因什么？因为地球是弯的，再远的地方就看不见了。同样，在一个膨胀的宇宙里面，我们会看到一个最远的地方，这个最远的地方大概有几百亿光年，如果全息理论是对的，那么我们就可以写出一个理论来，这个理论有可能比我们现在的理论简单，但它是在远处的屏幕上的一个理论，相当于我们这个宇宙是屏幕上的一个巨大的球形屏幕放出来的一个电影。这是1997年一个阿根廷物理学家发现的，一直到今天，有些理论还在活跃。

宇宙起源问题

我认为宇宙起源问题已经解决了，这个解决就是多元宇宙。如果弦论是对的，史前我们就存在的话，有可能就是宇宙中的一块空间，然后它突然由于不确定性原理长出一个新的宇宙出来。所以没有必要去解释史前到底是什么样的，但它有可能真的是一个笔记本电脑上长出来一个空间，也可能是史前的一个物理学家人为在实验室制造出来的宇宙，当然各种可能性都有。

因为是多元宇宙，所以我们不确定，只知道由于非常幸运，我们落在一个弦景观里面，在这个弦景观里面长出来我们这个宏观宇宙，正好有电子，这几种夸克，也有了这么多的暗物质和暗能量，让我们的宇宙进化成今天这个样子。如果我们宇宙需要有像我们地球这样的存在的话，恰好它的物质确实要有那么多。

暗能量是什么？我个人认为就是全息理论所带来的，如果全息理论是对的，它就是我们全息宇宙屏里上面的一点点样子与真空的，但这个时候我的理论叫全息能量理论。

所谓的宇宙有限，是我刚才说的意义上的有限，就是我们能看到最远的地方，就相当于回到在一个风平浪静的海平面上，我们站在一个船上向外眺望最远的地方。同样的话，宇宙学其实也是这样，因为地球是弯的，宇宙由于大爆炸，时间、空间是弯的，所以我们看到最远的地方，也就是离我们400亿光年，在400亿光年外，上面有个大屏幕，这个屏幕非常自然地解释了什么是暗能量。

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