什么是弦理论：用优雅的数学来描述强相互作用力

来源：新浪探索

导读

弦理论是一套人们为统一20世纪的两大支柱理论——量子力学与相对论——而提出的理论，试图用一套大一统框架来解释所有的物理现象。弦理论假定，粒子其实是一种类似琴弦的一维实体，其振动规律决定了该粒子的质量和电荷等性质。

弦理论是一套尖端理论，认为基本粒子都是微小的、由不断振动的弦构成的环

据牛津大学和英国皇家科学院建立的一个有关弦理论的网站介绍，这套反直觉的理论最早提出于上世纪60至70年代，当时的科学家们曾用“弦”的概念为欧洲亚原子对撞机产生的数据建模。弦为强相互作用力提供了一种优雅的数学描述（强相互作用力是宇宙中的四种基本力之一，原子核正是依靠这种力结合在一起的。）

在很长一段时间里，这个话题都处于学界边缘位置，一直到1984年的“弦理论革命”为止。就在那一年，理论学家迈克尔•格林和约翰•施瓦茨提出的等式显示，如将粒子描述为“弦”，便可避免将粒子描述为点状物质的各类模型存在的特定矛盾。

但在该理论萌芽之后，研究人员相继提出了五种不同的、解释一维的弦如何在10维宇宙中振动的模型。1995年，科学界迎来了第二次弦理论革命。物理学家发现，这些各自迥异的理论实则互相关联，并且可以与另一套名为“超引力”的、运用于11维空间的理论相结合。弦理论就此演变成了我们如今所知的形式。

解谜

弦理论是人们为创造“万物理论”所做的众多尝试之一。所谓的“万物理论”能够取代物理学标准模型，对所有已知粒子和作用力进行描述。许多科学家都是弦理论的拥趸，因为它极具数学美感。弦理论的等式十分“优雅”，对物理世界的描述也令许多人感到极为满意。

该理论利用一种特殊的、正在振动的弦来解释引力，其性质与引力子性质相对应。引力子是一种假想中的、带有引力的量子力学粒子。与我们熟悉的三个空间维度和一个时间维度不同，该理论涉及11个维度，但支持者们并未因此被“劝退”。支持该理论的物理学家们认为，这些多余的维度可以蜷曲在一个极小的空间中，尺度达10-33厘米，因此一般无法被我们探测到。

研究人员试图用弦理论解答一些宇宙基本问题，如黑洞内部是什么情况等等，或者模拟宇宙大爆炸等宇宙事件。有些科学家甚至尝试过用弦理论解决暗能量问题，即加速时空扩张的神秘作用力。

永不停步的探求

但弦理论近来遭到了不少质疑。弦理论的大多数预测都无法用现有技术检验真伪，许多研究人员不禁怀疑，这条探索之路究竟有没有尽头。2011年，物理学家们聚集在美国自然历史博物馆，参加第11次艾萨克•阿西莫夫纪念辩论大会，讨论利用弦理论描述物理现实的做法是否合理可行。

自然历史博物馆海顿天文台主任尼尔•德格拉斯•泰森指出，弦理论近年来的进展时好时坏。

弦理论遭遇的最新挑战来自该理论框架本身。据该框架预测，除了我们自己的宇宙之外，可能还存在多达10500个独一无二的宇宙。既然存在这么多的多重宇宙，只要研究人员展开探索，总会遇到一个与我们所在宇宙相对应的宇宙。但2018年，一篇颇具影响力的论文指出，这些假想宇宙中没有一个看上去与我们自己的宇宙相似。说得更具体些，没有一个多重宇宙能按照我们目前的理解描述暗能量。

“弦理论学家们提出了无数种数学解释，但均不与我们的观测结果存在任何已知关联。”德国法兰克福高等研究院物理学家萨比娜•霍森菲尔德指出。

其他研究人员则坚信，弦理论总有一天会证明自己。密歇根大学物理学家戈登•凯恩表示，大型强子对撞机升级完成后，不久便可提供佐证弦理论的证据。不过就目前而言，该理论的最终命运仍是个未知数。（叶子）