物理学中所有真正伟大的想法都是超弦理论的衍生物

弦理论原本是21世纪的物理学，却不小心掉进了20世纪——Witten。

普林斯顿高等研究院的威滕决定了物理学的走向，就像毕加索决定了艺术界的走向一样数百名物理学家跟踪他的工作，以了解他的突破性想法

魏腾出生在一个物理学家家庭他的父亲路易斯·威滕是辛辛那提大学的物理学教授，也是爱因斯坦广义相对论的学术权威他的父亲说他对物理学最大的贡献是他儿子的出生

威滕曾就读于普林斯顿大学，后在哈佛任教，28岁成为普林斯顿正教授他的工作的衍生结果深深地影响了数学领域1990年被授予菲尔兹奖章，堪称数学界的诺贝尔奖

很多时候，威滕凝视着窗外，熟练地摆弄和调整着脑子里的大量方程。他的妻子说，

除了在脑子里，他从来不计算，但我写了一整页的公式才搞清楚自己在做什么，但爱德华只是坐下来写了一个负号，或者只是翻了一倍。

威滕说，

大多数没有受到物理学影响的人可能会认为物理学家在做非常复杂的计算问题，但这并不是问题的关键关键是物理是一些概念，不理解这些概念，就没有办法理解世界运行的原理

威滕是超弦理论的集大成者，可以把爱因斯坦的引力理论和量子理论统一起来可是，威滕并不满意超弦理论目前的表述他下定决心解决超弦理论起源的难题，这可能被证明是解释宇宙创造时刻的决定性一步这个理论的关键在于它独特的几何形状:一根弦只能在10维和26维中沿着地面振动

什么是粒子。

弦理论的本质在于它能解释物质和时空的本质，也就是木头和大理石的本质弦理论回答了一系列关于粒子的难题，比如为什么自然界会有这么多粒子我们对亚原子粒子的性质研究得越深入，我们发现的粒子就越多目前，数百个亚原子粒子组成了一个巨大的动物园，它们的性质是无穷无尽的即使在标准模型中，基本粒子如此之多，令人困惑弦理论回答了这个问题，因为大约一万亿倍质子大小的弦在振动，每个振动模式代表一个独特的共振或粒子弦非常非常小，所以弦的共振从远处看和粒子没什么区别只有当我们试图放大这个粒子时，我们才能看到它根本不是一个点，而是一根以某种模式振动的弦

在这个场景中，每个亚原子粒子都对应一个独特的共振，以独特的频率振动共振的概念在日常生活中很常见想象一下，一根小提琴弦可以以不同的频率振动，从而发出A，B，c等音，弦上能留下的，只有那些消失在弦的末端，两端之间有整数个起伏的振动模式原则上，弦可以以无限多种不同频率中的任何一种振动我们知道，声音本身并不是最基本的东西a并不比b更基础，可是，更基础的是字符串本身没有必要孤立地研究每一种声音通过了解弦是如何振动的，我们立即理解了无限声音的本质

同样，宇宙中的粒子本身也不是基本的电子不比中微子更基本所以粒子看似基本，只是因为我们的显微镜不足以揭示它们的结构根据弦理论，如果我们可以尝试放大一个点粒子，我们实际上会看到一个小的振动弦事实上，根据这个理论，物质只不过是这根振动的弦所产生的和声对于小提琴来说，它可以形成无限多的和声，所以振弦可以形成无限多的物质形态这解释了自然界中粒子的丰富性同样，物理定律可以比作弦上的和声定律宇宙本身由无数振动的弦组成，可以比作一首交响乐

弦理论不仅可以解释粒子的本质，也可以解释时空的本质当一根弦在时间和空间中运动时，它完成了一系列复杂的运动这根弦也可以断成更小的弦，也可以和其他弦碰撞形成更长的炫至关重要的是，所有这些量子修正或圆图都是有限的和可计算的这是物理学史上第一个有限量子修正的量子引力理论

所有以前的理论——包括爱因斯坦的原始理论，卡鲁查—克莱因理论和超重力理论——在这个关键标准上都失败了。

为了完成这些复杂的运动，弦必须遵循一大套自洽的条件，这些条件非常严格，以至于在时间和空间上设置了一些非常限制性的条件换句话说，弦不可能像点粒子一样在任何时空沿着地面传播

当时空中约束弦的条件第一次被计算出来的时候，物理学家惊讶地发现爱因斯坦的方程就是由弦生成的这太神奇了在没有假设任何爱因斯坦方程的情况下，物理学家发现它们出自弦理论，这很神奇爱因斯坦的方程不再是基本的，它可以从弦理论中推导出来

如果弦理论是正确的，那么它将揭示关于木材和大理石长期存在的奥秘爱因斯坦猜测有一天单单大理石就能解释木材的所有特性对爱因斯坦来说，木头是时间和空间的扭曲或振动可是，量子物理学家的想法恰恰相反他们认为大理石可以变成木头，即爱因斯坦的度规张量可以转化为引力子，引力是载荷引力的离散能量包这是两种截然相反的观点，人们总是认为它们之间不可能达成妥协可是，细绳是木头和大理石之间缺失的一环

弦理论不仅可以推导出可视为弦上共振的物质粒子，还可以通过要求弦以自洽的方式在时空中运动来推导出爱因斯坦方程这样，我们就有了一个包罗万象的质量，能量和时空理论

这些自洽的约束非常严格例如，它们禁止弦在三维或四维空间移动我们会看到，这些自洽的条件迫使弦在特定的维度上运动其实弦理论允许的幻数是10和26维幸运的是，在这些维度中定义的弦理论有足够的空间来统一所有的基本力

因此，弦理论足以解释自然的所有基本规律从一个简单的振弦理论出发，人们可以推导出爱因斯坦理论，卡鲁查—克莱因理论，超引力，标准模型，甚至大统一理论这似乎是一个奇迹:从一些弦的纯几何讨论开始，人们可以重新导出2000年来物理学的所有进展

为什么是字符串。

为什么是字符串为什么不振动固体或凸起

如果我们对现有的物理学有非常深刻的了解，或许我们可以看到，大自然就像巴赫或贝多芬的作品一样，往往是以一个主题开始，然后围绕主题出现无数变奏，遍布交响乐基于这个标准，弦似乎并不是自然界中的一个基本概念

例如，轨道的概念在自然界中以各种不同的形式反复出现自从哥白尼的工作以来，轨道提供了一个基本的主题它经常以各种变化在整个自然界中重复出现，从最大的星系到原子，再到最小的亚原子粒子同样，法拉第场被证明是自然界最喜欢的主题之一场可以描述星系的磁场和引力，麦克斯韦的电磁理论，爱因斯坦和黎曼的度规理论，标准模型中发现的Young—Mills场事实上，场论是作为亚原子物理学的通用语言出现的，也许宇宙也是如此场论已经表达了物质和能量的所有已知形式此外，就像交响乐中的主题和变奏一样，模式也是不断重复的

但是字符串呢字符串似乎不是大自然设计世界时喜欢的模式在太空中，我们看不到弦事实上，我们在任何地方都看不到弦

可是，一个重要的想法将揭示，大自然为弦保留了一个特殊的角色，即作为其他形式的基本组成部分比如地球上生命的基本特征就是像字符串一样的DNA分子，里面包含着生命本身复杂的信息和密码在构造生命原材料和亚原子物质时，弦似乎是完美的答案在这两种情况下，我们都希望将大量信息放入一个相对简单且可重复的结构中string的显著特点是它以一种高度密集的方式存储大量信息，这种方式使得信息可以被复制

对于生物来说，大自然使用双链DNA分子，这些分子解开双链，形成自己的复制品我们的身体还包含数万亿个蛋白质串，这些蛋白质串是由氨基酸积木组成的从某种意义上说，我们的身体可以被看作是弦的集合

弦乐四重奏组

格罗斯认为弦理论解决了把木头变成大理石的问题从几何构造物质本身——在某种意义上，这就是弦理论要解决的问题可以认为，那种方法，尤其是在杂交弦理论中，本质上是一种引力理论，其中物质粒子和其他自然力的出现与引力从几何学中的出现是一样的

正如我们强调的，弦理论最显著的特点是爱因斯坦的引力理论自动包含在其中事实上，引力子表现为闭合弦的最小振动统一理论尽量避免提及爱因斯坦的引力理论，但超弦理论要求将爱因斯坦的理论纳入其中比如，如果我们只把爱因斯坦的引力理论看成弦的振动，理论就会变得前后矛盾，毫无用处事实上，这就是威滕最初被弦理论吸引的原因1982年，他读了施瓦茨写的一篇综合文章，惊讶地意识到引力只有通过自洽才能从超弦理论中出现

我一生中最大的智力震动。

威滕说，弦理论非常吸引人，因为引力是强加给我们的所有已知且一致的弦理论都包括重力当引力在我们所知的量子场论中是不可能的时候，在弦论中却是不可或缺的

魏腾甚至进一步说道:

物理学中所有真正伟大的想法都是超弦理论的衍生物。

他这句话的意思是，理论物理的所有伟大进步都包含在超弦理论中他甚至认为爱因斯坦的广义相对论是在超弦理论之前发现的，是地球上的偶然事件他认为，在太空的某些地方，宇宙中的其他文明可能会先发现超弦理论，然后衍生出作为超弦理论副产品的广义相对论

紧凑和美观

弦理论是物理学中一个很有前途的候选理论，因为它给出了粒子物理学和广义相对论中对称性的一个简单起源。

超重力既不是可重整的，也不是太小而无法容纳标准模型的对称性因此，它不是自洽的，它不能现实地描述已知的粒子可是，弦理论可以做到这两点正如我们很快会看到的，弦理论消除了在量子引力中发现的无穷大，从而产生了有限量子引力理论仅此一点就确保了弦理论应该被视为宇宙理论的候选者可是，还有一个附带的好处当我们压缩弦的某些维度时，发现有足够的空间容纳标准模型甚至大统一理论的对称性

封闭弦组成的混合弦有顺时针和逆时针两种振动，区别对待顺时针振动生活在10维空间逆时针振动生活在26维空间中，其中16维已经被压缩

在卡鲁查最初的五维理论中，第五维是通过把它卷成一个圆来压缩的。

16维紧致空间很有意思在卡鲁查—克莱因理论中，紧致的N维空间可以与之具有对称性，就像一个漂浮的气球所以所有在N维空间中定义的振动都会自动继承这些对称性如果对称性是SU，那么这个空间中的所有振动都必须服从SU对称性这样，卡鲁查—克莱因理论可以容纳标准模型的对称性但是，也可以这样确定，超引力太小，它容纳不了标准模型中发现的所有具有各种对称性的粒子这足以扼杀作为物质和时空现实理论的超引力理论

可是，普林斯顿弦乐四重奏在分析了这个16维空间的对称性后，发现它是一个异常大的对称性，称为E×E，比任何曾经尝试过的大统一理论的对称性都大得多意味着弦的所有振动都继承了16维空间的对称性，这对于容纳标准模型的对称性来说绰绰有余

物理定律在高维空间中被简化了。

在这种情况下，混合弦逆时针振动的26维空间有足够的空间来解释爱因斯坦理论和量子论中的所有对称性因此，纯几何第一次给出了一个简单的解释，这就是为什么亚原子世界必须表现出某种从卷曲的高维空间中涌现出来的对称性:亚原子王国的对称性只是高维空间对称性的残余

这意味着大自然的美丽和对称终于可以追溯到高维空间比如雪花产生美丽的六边形图案，没有一个是完全一样的这些雪花和晶体继承了它们分子的几何排列结构这种排列主要是由分子的电子壳层决定的，分子把我们带回了量子理论的旋转对称，这种对称叫做O对称我们在化学元素中观察到的低能宇宙的所有对称性都归结于标准模型划分的对称性，而标准模型可以通过压缩杂化弦得到

简而言之，我们在周围看到的对称，从彩虹到盛开的花朵到各种各样的晶体，最终都可以被视为最初的10维理论碎片的显现爱因斯坦，黎曼求和，想找到一个几何的理解，为什么力可以决定物质的运动和性质可是，他们失去了证明木材和大理石之间关系的关键要素这个缺失的环节很可能就是超弦理论使用10维弦理论，我们可以看到弦的几何形状可能最终决定物质的力和结构

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