弦理論

背景资料

为大众设计的弦论介绍必须首先解释物理学。对弦理论的一些争议是由于对物理学的误解造成的。即使对科学家来说，一个常见的误解是假定一个理论在解释自然界的过程中，只要它的预测成功，就会被证明是真的。另一个误区是，早期的物理学家，包括化学家，已经解释了世界。这就导致了一种误解，即弦理论家在不明不白地"脱离了真理"之后，就开始提出奇怪的假设。

古典领域

牛顿物理学

牛顿的万有引力定律(UG)，是在伽利略运动三定律和其他一些预设的基础上加上的，于1687年发表。牛顿的理论成功地模拟了我们能看到的大小物体之间的相互作用，这一系列现象现在被称为经典领域。库仑定律建立了电吸引的模型。麦克斯韦的电磁场理论将电和磁统一起来，而光学就是从这个领域产生的。

然而，当观察者在其场中行进时，光的速度仍然大致相同，尽管加速度预测场相对于观察者与它一起行进或与它对立行进时，光的速度更慢或更快。所以，相对于电磁场，观察者不断失去速度。不过，这还是没有违反伽利略的相对性原理，即力学定律对所有显示惯性的物体都是一样的。

根据惯性定律，当物体不受力时，物体保持其速度，也就是速度和方向。一个物体无论是做匀速运动，即速度不变，方向不变，还是静止不动，即速度为零，都有惯性。这就表现出伽利略不变性--它的机械相互作用无变化地进行--也称为伽利略相对论，因为人们无法察觉自己是在静止还是在匀速运动。

相对论

狭义相对论

1905年，爱因斯坦的特殊相对论解释了麦克斯韦电磁场和伽利略相对论的准确性，指出场的速度是绝对的--一个普遍的常数--而空间和时间都是相对于物体能量的局部现象。因此，处于相对运动中的物体沿其动量方向缩短（洛伦兹收缩），其事件的展开速度减慢（时间扩张）。物体上的乘客无法检测到这种变化，因为该交通工具上的所有测量设备都经历了长度收缩和时间扩张。只有经历过相对静止的外部观察者才会测量到相对运动的物体沿其行进路径缩短，其事件的展开速度减慢。狭义相对论使牛顿的理论--它把空间和时间说成是绝对的--无法解释引力。

根据等效原理，爱因斯坦推断，无论是在引力下还是在恒定加速度下，都是无法区分的经验，可能共享一个物理机制。所提出的机制是逐渐的长度收缩和时间膨胀--这是三维空间内局部能量密度的结果--在一个刚性物体内建立一个逐渐的张力，通过向能量密度最大的位置移动来缓解其张力。狭义相对论将是引力场的一种有限情况。当整个三维空间的能量密度均匀时，狭义相对论就会适用，所以引力场在各个位置之间的比例是均匀的，为什么物体没有经历加速度，从而没有引力。

广义相对论

1915年，爱因斯坦的广义相对论用4D空间建模为洛伦兹歧管来新解释引力。时间是与三个空间维度合并的一个维度，因为三维空间中的每一个事件--水平方向的二维和垂直方向的一维--都包含了一个沿着一维时间轴的点。即使在日常生活中，人们也会同时陈述或暗示这两种情况。一个人说或至少意味着，"2012年10月10日9:00PM在美因街123号楼与富兰克林街交汇处的3D公寓见我"。通过省略或遗漏时间坐标，当所寻求的事件不在时，人们就会到达正确的空间位置--可能是在过去或未来的下午6:00或凌晨12:00。

广义相对论将空间和时间收敛，并假定两者都是相对于附近的能量密度而言的，并将唯一的常数或绝对数甚至不是质量而是真空中的光速，因此，广义相对论揭示了自然界以前无法想象的平衡和对称。每一个物体总是以光速沿着一条直线运动--它的等价物，在一个弯曲的表面上，被称为大地线或世界线--像自由落体一样在4D时空中的一条阻力最小的路径，其几何形状在质量/能量附近"弯曲"。

一个在真空中以光速运动的物体在三维空间中以最大速率运动，但没有表现出事件的演化--它被凝固在时间中，而一个在三维空间中不动的物体则完全沿着一维时间流动，经历着事件展开的最大速率。所显示的宇宙是相对于某一特定位置而言的，然而一旦该附近的质量/能量被陈述出来，爱因斯坦的方程就能预测宇宙中任何地方正在发生的事情--或者说已经发生或将要发生的事情。在爱因斯坦的理论中，相对的概念被普及，说明主观或任意，这让爱因斯坦有些遗憾，后来他认为应该将其命名为一般理论。

宇宙学

电磁场的信使粒子--光子，在宇宙中永恒地传递着一种图像，而在这个场内的观察者有足够的时间流速来解码这种图像，并在三维空间内移动作出反应，却永远无法超越这种永恒的图像。在假定的宇宙大爆炸开始后40万年以下的宇宙状态，被认为是以宇宙微波背景（CMB）的形式显示出来。

1915年，人们认为宇宙完全是我们现在所说的银河系，是静止的。爱因斯坦操作他最近公布的引力场方程，发现了宇宙在膨胀或收缩的后果。(该理论在任何一个方向上都是可以操作的，时间不变。)他修改了该理论，增加了一个宇宙学常数来任意平衡宇宙。临近1930年，埃德温-哈勃的望远镜数据，通过广义相对论解释，发现宇宙在膨胀。

1916年，在一战战场上，卡尔-施瓦茨希尔德操作爱因斯坦方程，施瓦茨希尔德的解法预测了黑洞。几十年后，天体物理学家发现，或许每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞。黑洞似乎通过调控恒星的形成和毁灭来引领星系的形成和维持。

在20世纪30年代，人们注意到，根据广义相对论，星系会分崩离析，除非周围有看不见的物质把一个星系连在一起，到了20世纪70年代，暗物质开始被接受。1998年有人推断，宇宙的膨胀，不是放缓，而是在加速，这说明宇宙中存在着巨大的能量密度--足以加速可见物质和暗物质--整个宇宙中，存在着一个巨大的暗能量场。显然，宇宙的构成中，只有不到5%是已知的，而另外95%是神秘的--暗物质和暗能量。

量子境界

奇异的机械结构

到了20世纪20年代，为了探究电磁场在微不足道的空间和时间尺度上的运行，量子力学（QM）得到了发展。然而电子--与作为电磁场力载体的光子相互作用的物质粒子--似乎完全违背了机械原理。没有人能够预测一个量子粒子在各个时刻的位置。

在狭缝实验中，一个电子会穿过一个放置在它前面的孔，但一个电子会同时穿过多个孔，无论在它前面放置多少个孔。然而，一个电子会同时穿过多个孔，不管它前面有多少个孔。单个电子会在探测板上留下一个干扰图案，就像单个粒子是同时穿过所有孔的波一样。然而这种情况只发生在未被观察到的时候。如果光照在预期的事件上，光子与场的相互作用会使电子定在一个单一的位置上。

根据不确定性原理，任何量子粒子的确切位置和动量都无法确定，但是。粒子与观测/测量仪器的相互作用会使粒子发生偏移，因此对其位置的确定越大，对其动量的确定就越小，反之亦然。

场论量化

通过将量子力学扩展到一个领域，出现了一个一致的模式。从一个位置到相邻的位置，粒子存在于那里的概率会像概率波一样上升和下降--一个上升和下降的概率密度。当未被观察到时，任何量子粒子都会进入叠加状态，这样一来，即使是单个粒子也会填满整个场域，无论场域有多大。然而，粒子并不肯定在场中的任何地方，而是以一种确定的概率存在，与它是否曾在相邻的位置有关。麦克斯韦电磁场的波形是由概率事件的累积产生的。不是粒子，而是数学形式，是不变的。

将场设置为狭义相对论，允许预测完整的电磁场。于是产生了相对论量子场论（QFT）。电磁场的，是相对论量子电动力学（QED）。弱场和电磁场的，它是相对论弱电理论（EWT）。强场的，是相对论量子色动力学（QCD）。一并成为粒子物理学的标准模型。

物理学分部

当标准模型被设置为广义相对论以包括质量时，出现了无穷大的概率密度，这被认为是不正确的，因为概率通常从0到1-0%到100%的概率。这被认为是不正确的，因为概率通常从0到1-0%到100%的概率。一些理论物理学家怀疑问题出在标准模型中，标准模型用一个零维点来表示每个粒子，原则上可以无限小。然而在量子物理学中，普朗克常数是一个场可以划分的最小能量单位，或许是一个粒子最小尺寸的线索。所以有人追求将引力量化--发展量子引力理论。

理念

架構

弦猜想，在微观尺度上，爱因斯坦的4D时空是一个卡拉比-尤的场域，每个场域包含6个空间维度卷曲起来，因此没有扩展到经典领域所呈现的3个空间维度。在弦理论中，每个量子粒子都被一个1D的振动能量弦所代替，其长度为普朗克长度。当弦移动时，它的轨迹宽度，从而成为2D，一个世界表。当弦在6D卡拉比-尤空间内振动和移动时，弦就变成了一个量子粒子。用这种方法，预言中解释广义相对论的假想引力子就很容易出现了。

理论

弦理论一开始是玻色子弦理论，其26个维度的作用如同少了许多。然而这只模拟了玻色子，也就是能量粒子，而忽略了费米子，也就是物质粒子。所以玻色弦理论无法解释物质。然而通过在玻色弦理论中加入超对称性，实现了费米子，弦理论就变成了超弦理论，也解释了物质。

(在包含超对称性(SUSY)的量子场论版本中，每个玻色子都有一个对应的费米子，反之亦然。也就是说，每个能量粒子都有对应的物质粒子，每个物质粒子都有对应的能量粒子，然而不可观测的伙伴更加庞大，因此是超级的。这些超级伙伴似乎是一种奢侈的预测，然而许多理论家和实验家却偏爱超对称版本的标准模型，否则其方程必须进行奢侈的调整，有时甚至是任意调整，以保持预测的成功或数学上的一致性，但与超级伙伴对齐)。

争议

无法检验--不科学？

弦理论关于所有分子都是能量弦的说法引起了严厉的批评。弦理论有许多版本，没有一个版本能相当成功地预测标准模型所解释的观测数据。M理论现在已知的解法不计其数，经常预测到一些奇怪的、未知的东西存在。有些人指责弦理论家只选择想要的预测。

关于弦理论没有做出可检验的预测的说法是错误的，因为它做出了许多预测。没有任何理论--一个对自然现象的某些领域的预测性和也许是解释性的模型--是可以验证的。在标准模型之前，所有传统的物理理论都对自然界不可观测的方面提出了主张。即使是标准模型对自然界也有各种解释。当标准模型被操作时，它常常被做成一个具有超对称性的版本，使粒子物理学家迄今确定的粒子种类数量增加一倍。

没有一个人能够从字面上测量空间，然而牛顿却假设了绝对的空间和时间，牛顿的理论做出了明确的预测，高度的可检验性和预测性，成功了200年，但该理论仍然被证伪为对自然的解释。物理学家们承认，不存在这种直接吸引物质与物质之间的吸引力，更不存在这种力量瞬间穿越宇宙的现象。尽管如此，牛顿的理论仍然是科学的典范。

隐藏的维度？

空间的隐藏维度的想法可能看起来很神秘。一些环形量子引力的理论家--量子引力的竞争者--认为弦理论从根本上说是错误的，他们假定空间甚至有一个形状，直到粒子塑造它。也就是说，他们并不怀疑空间具有各种形状，只是把粒子看作是决定空间的形状，而不是相反。广义相对论所预言的时空漩涡显然得到了证实。

如果解释为自然真实，标准模型将量子粒子表示为一个0D点，已经表明时空是一个由漫漫形状、量子泡沫组成的海洋。弦理论家倾向于相信自然更优雅，环理论家李-斯莫林将这一信念斥为浪漫，同时将生物学的现代合成作为一种修辞手段。探测新增空间维度的实验至今失败，然而仍有可能出现它们的迹象。

这么多解决方案？

M理论有许多万亿的解。弦理论的领军人物Leonard Susskind将弦理论的解的可塑性解释为矛盾的支持解决了这个宇宙为什么存在的谜团，M理论表明它不过是一个一般模式的变种，总是大约结果。

广义相对论带来了许多发现，而这些发现在1915年除了在小说中，都是不可想象的。爱因斯坦-罗森桥是爱因斯坦方程的解，它试图解释量子粒子的动力学，它预言了一条连接时空中两个遥远点的捷径。俗称虫洞，爱因斯坦-罗森桥被怀疑但没有被证伪，这说明不是理论的所有后果都必须是准确的，就是现实在不可观察的方面相当诡异。

许多世界

即使是粒子物理学的标准模型也提出了一些奇异的可能性，而民粹主义的科学描述要么被忽略，要么被当作无法解释的好奇心来提及。该理论约定俗成地接受了哥本哈根的解释，即场只是可能性，都不是真实的，直到观察者或仪器与场互动，其波函数就会坍塌，只剩下其粒子函数，只有粒子是真实的。然而波函数坍缩仅仅是假设的--既没有得到实验证实，甚至也没有建立数学模型，无论是量子领域的波函数还是经典领域的粒子函数，都没有发现任何差异。

1957年，休-埃弗雷特（Hugh Everett）描述了他的"相对状态"解释。埃弗雷特坚持认为，波函数不会坍塌，由于所有的物质和相互作用都被假定是由量子波粒子建立起来的，所以量子场的所有可能的变化--由数学方程所指示--都是真实的、同时发生的，但不同的历史进程。按照这种解释，无论什么东西与场相互作用，都会加入场的状态，而场的状态是相对于观察者的状态而言的，它本身就是自己量子场中的一个波形--而两者只是在一个永不坍缩的普遍波形中相互作用。到现在，许多物理学家对从量子领域到经典领域的明显过渡的解释不是波函数坍缩，而是量子解相干。

在解相干中，与场的相互作用使观察者只进入量子场的一个决定性星座，因此所有的观察都与那个新的、组合的量子状态一致。埃弗雷特的论文启发了许多世界的解释，即在我们的宇宙中，被预测为实际上或潜在的无限平行世界，这些世界是真实的，但每个世界与其他世界的距离微乎其微。由于每个世界的波形是普遍的--而不是坍缩的--而且它的数学关系是不变的，平行世界只是填补了空白，并没有接触。

许多宇宙

爱因斯坦怀疑施瓦茨基尔德解所预言的黑洞是否真实存在。现在有人猜测，黑洞并不存在，而是暗能量，或者说我们的宇宙既是黑洞又是暗能量。爱因斯坦方程的Schwarzschild解可以最大限度地扩展到预测黑洞有一个反面--从白洞中出现的另一个宇宙。也许我们的宇宙大爆炸是大反弹的一半，东西的坍塌下来变成了一个黑洞，我们的宇宙作为一个白洞蹦出了它的另一面。

粒子是弦？

物理学家们普遍怀疑量子粒子是否真的是标准模型所代表的0D点，标准模型提供的是形式主义--数学装置，其笔画在输入数据后可以预测感兴趣的现象--而不是解释决定这些现象的机制。然而弦理论家确实倾向于乐观地猜想，弦既是真实的，又是解释的，而不仅仅是预测装置。今天的粒子加速器的能力远远超出了在足够高的能量水平上推动任何探测粒子的能力，以克服量子粒子自身的能量并确定它是否是弦。然而这种限制同样存在于测试其他量子引力理论上。发展表明，还有其他策略可以"观察"量子粒子的结构。

矛盾的是，即使测试证实了粒子是能量弦，那仍然不能确凿地证明甚至粒子是弦，因为还可能有其他解释，也许是空间的意外扭曲，虽然粒子是一个0D点的真实体。即使预测成功了，也有许多可能的解释--不足的问题，而科学哲学家以及一些科学家并不接受即使是完美无瑕的预测成功，也是对成功理论的解释的验证，如果这些解释被摆出提供科学的现实主义，对自然界的真实描述。

物质就是能量？

谈论粒子物理学家通过在加速器中碰撞粒子来测试理论物理学家预测的粒子，这表明量子粒子是微小的牛顿粒子，实验者将其敲开以揭示其结构。相反，当两个各自具有一定质量的粒子--以电子伏特的能量来衡量--发生碰撞时，它们可以组合成一个具有该组合质量/能量的粒子，并对生成的粒子进行"观察"，以确定其与预测的对应关系。

所有粒子都是能量，这在物理学家中是没有争议的。循环论者，有时与弦理论相抗衡，声称时空本身也会转化为粒子。物质是能量的特殊变体是爱因斯坦特殊相对论的结果，于是爱因斯坦正式确定了质能等价，E=^mc2。当能量足够大的光子碰撞时，它们可以结合起来，产生物质-物质创造。所有粒子都有反粒子，物质的原子也有反物质的原子，它们的结合使粒子和物质湮灭，而留下能量。

发展情况

一个鼓舞人心的发展是镜像对称性的发现，即卡拉比-尤空间往往成对出现，这样以前在一个弦的极端振动模式内难以解决的问题，可以通过镜像卡拉比-尤空间的几何学在其相反的范围内解决。

弦理论通常是通过保形场理论来解决的，保形场理论是一种关于二维空间的量子场理论。证实了分子可以坍缩到二维。而长期以来被推测为基本粒子的电子，当含有电子的分子通过1D途径时，显然会分裂成三个分别携带电子的三个自由度的实体。