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为什么会认为弦理论是终极大统一理论？

张子豪 2025-10-11 20:54 1

物理学中未经证实但最精采、最具争议的理论之一是弦理论。弦理论的焦点是贯串物理学几个宿世纪的思惟本家儿线，作为统一个框架的一部门，在某些层面上，所有分歧的力、粒子、彼此感化和实际表示被绑缚在一路。不是四种自力的天然根基力（引力、电磁、强和弱力），而是一种同一的理论涵盖了所有这些。

弦理论的焦点不是0维的粒子，而是组成宇宙的一维弦。图片：flickr user Trailfan

在很多方面，弦理论是引力量子理论的最佳竞争者，它在最高能量标准上实现同一。尽管没有尝试表白，但仍有令人信服的理论依据证实这一点。早在2015年，顶尖弦理论学家埃德·威滕就关于弦理论的所有常识写了一篇文章。即使你不是一个物理学家，也是如斯。

尺度量子场论彼此感化（L），点粒子，弦理论彼此感化（R）和封锁弦之间的差别。图片：Wikimedia Commons user Kurochka

当谈到天然纪律时，在看似不相关的现象之间几多是有相似之处并值得注重。它们背后的数学布局经常是相似，有时甚至是完全不异。按照牛顿心猿意马律，两个年夜天体之间引力的体例几乎与带电粒子吸引或排斥体例完全不异。钟摆摆动的体例完全近似于弹簧上质量往返移动体例，也近似于行星绕恒星运行的体例。引力波、水波和光波都有着很是相似的特征，尽管它们的物理发源底子分歧。同样的，固然年夜大都人都没有意识到单粒子量子理论以及若何接近引力量子理论也是近似。

上图是电子与电子散射的费曼图，它需要对粒子与粒子之间彼此感化的所有可能进行乞降。图片：Dmitri Fedorov

量子场论的道理是取一个粒子，然后进行数学上的所有可能乞降，不克不及仅仅计较粒子在哪里，以及它是若何达到那边的，因为天然有一个固有的，根基的量子不确定性。相反把所有可能达到它此刻状况的体例(“曩昔的汗青”部门)加起来用恰当的概率，然后就可以计较单个粒子的量子态。

若是想用引力来取代量子粒子，必需稍微改变一下这个设法。因为爱因斯坦的广义相对论与粒子无关，而是与时空的曲率有关，所以不克不及对粒子的所有可能的汗青进行平均，代替这一点，可以代替时空几何的所有可能。

由爱因斯坦的引力理论，以及由量子物理学支配的其他事物（强、弱和电磁的彼此感化）是支配我们宇宙万物的两个自力的法则。图片：SLAC国度加快器尝试室

在三维空间中工作长短常坚苦的，当物理问题具有挑战性时，凡是会起首测验考试解决一个更简单的问题。若是将难度降到一维，工作就会变得很是简单。独一可能的一维曲面是一个开弦，此中有两个自力的、不相连的端点，或者是一个闭弦，两个端点毗连在一路形当作一个轮回。此外空间曲率在复杂三维空间中变得眇乎小哉。

所以若是想插手物质，剩下的就是一组标量场（就像某些类型的粒子一样）和宇宙常数（就像质量项一样）。粒子在多个维度上获得的额外自由度并没有起到很高文用；只要能界说动量矢量，那就是最主要的维度。是以在一维中，量子引力就像肆意数目维度中的自由量子粒子。

三价极点图是机关一维量子引力路径积分的一个主要构成部门。图片：Phys. Today 68, 11, 38 (2015)

下一步是归并彼此感化，从一个没有散射振幅或横截面的自由粒子，到一个可以饰演物理脚色的粒子与宇宙连系。就像上面的图一样可以描述量子重力感化的物理概念。若是把这些图所有可能的组合都写下来，应用不异的法例并把它们加起来；若是老是强制执步履量守恒心猿意马律，就可以完当作类比。一维的量子引力很像单个粒子在肆意数目的维度上彼此感化。

在任何特定位置找到量子粒子的概率永远不会是100%，概率分布在空间和时候上。图片：Wikimedia Commons user Maschen

接下来将从一个空间维度移动到3+1维度：宇宙有三个空间维度和一个时候维度。但这种理论上的引力力“进级”可能很是具有挑战性。相反若是我们朝着相反的偏向尽力，或许会有更好的方式。与其计较单个粒子(一个零维实体)在任何维度上的行为，不如计较一个字符串(一个一维实体)的行为。然后可以从更实际的维度中寻找更完整的量子引力理论。

费曼图（TOP）是基于点粒子及其彼此感化的。将它们转换当作弦论近似物（底部）会发生可以或许具有非普通曲率的概况。图片：Phys. Today 68, 11, 38 (2015)

取代点和彼此感化，在概况膜上运行。一旦有一个真实的多维概况呈现，这个概况就可以以非平直的体例弯曲。起头有很有趣的行为呈现，这种行为可能是在宇宙中履历的时空曲率的根源，就像广义相对论一样。固然一维量子引力供给了可能弯曲时空中的粒子的量子场理论，但它并没有描述引力自己。

这个谜缺的微妙之处是什么？运算符之间没有对应关系，或者没有暗示量子力学，力和性质的函数状况，或也没有粒子和它们的性质是若何随时候演化的。这种“操作员状况”对应是需要的，但贫乏的当作分。可是若是从点状粒子转移到弦状实体，就会呈现对应关系。

变形时空怀抱可以用波动来暗示(称为“p”)，若是把它应用到弦的类比上，它描述了时空的波动并对应于弦的量子状况。图片：Phys. Today 68, 11, 38 (2015)

一旦从粒子进级到弦状实体，就会有一个真正的操作符-状况通信呈现。时空怀抱（即操作符）中的波动主动暗示弦性质的量子力学描述状况。所以可以从弦理论中获得时空中的引力理论。

但这还不是获得的全数：还获得了量子引力与时空中的其他粒子和力的同一，这些粒子、力与弦场理论中的其他算子相对应。还有一个算子描述时空几何的波动，以及弦的其他量子态。弦理论最年夜的新闻是它能给出一个有用的量子引力理论。

布赖恩·格林介绍弦理论。图片：NASA/Goddard/Wade Sisler

但这并不料味着这是一个必然的结论：弦理论是通标的目的量子引力的道路。弦理论的最年夜但愿是这些类比在所有标准上都能当作立，而且将会有一个清楚的，一对一的弦图映射到四周的宇宙。此刻只有几组维度，字符串/超弦图是自洽的，最有但愿的一个并不给我们描述宇宙爱因斯坦的四维引力。

相反发现了一个10维的Brang-Dikes引力理论。为了恢复宇宙的引力，必需“去失落”六个维度，并将Brang-Dikes耦合参数ω无限化。若是你传闻过弦理论中的紧化这个词，这就是必需解决这些难题的有力证实。此刻很多人认为存在一个完整的、有说服力的解决方案来知足紧化需要。可是若何从10维Brang-Dikes理论获得爱因斯坦引力和3 + 1维仍然是弦理论需要面临的一个挑战。