弦理論在大約30年前以自身的完美而大出風頭，志在解決基礎物理學中的棘手問題，包括調和相對論與量子力學之間的矛盾。

在廣義相對論中，事件是連續的和確定性的，這意味著每一個原因匹配一個特定的，區域性的影響。在量子力學中，亞原子粒子相互作用產生的事件以跳躍的方式發生（量子躍遷），其結果是有機率的，而不是確定的。

簡單地用微小振動的弦環替換無限小的粒子

，借用邁克爾•法拉第的話來說，這似乎太美妙了，不可能不真實。這些振動會產生夸克、電子、膠子和光子。量子不確定性無法將時空撕成碎片，似乎終於有了一個可行的量子引力理論。

比文字描述更美麗的是其背後的數學，它讓一些物理學家欣喜若狂。可以肯定的是，弦理論帶來了令人不安的影響。這些弦太小，實驗無法探測，而且存在於多達11個維度的空間中。這些維度被摺疊成複雜的形狀。沒有人知道這些維度是如何摺疊的，但可以肯定的是，某些構型最終會產生我們所熟悉的力和粒子。

許多物理學家認為弦理論會讓量子力學和引力統一。

後來物理學家們意識到，單一（統一）理論的夢想只是一種幻覺。在上世紀70年代完成了強大的粒子物理學“標準模型”之後，他們希望這個故事能夠在弦理論身上重演。就像許多成熟的理論一樣，弦理論在一些方面變得豐富、複雜、難以處理，並具有廣泛的影響力。它的觸角已經深入到理論物理學的許多領域。

弦理論的數學已經應用於宇宙學和凝聚態物理等領域。今天的弦理論看起來幾乎是分形的。人們對任何一個角落探索得越近，他們發現的結構就越多。有些在特定的“裂縫”中挖得很深；另一些人則把視野放大，試圖理解更大的模式。結果是，如今的弦理論包含了很多看起來不再是弦的東西。那些微小的弦環被認為可以滲入到自然界所知的每一種粒子和力中。

甚至當弦理論的數學工具被物理科學所採用時，物理學家們一直在為如何處理弦理論的中心張力而苦苦掙扎：它是否能讓研究人員瞭解引力和量子力學是如何調和的？

“問題在於弦理論存在於理論物理學的領域中，”國際IAS的數學物理學家胡安·馬爾達塞納（Juan Maldacena）說，他可能是當今該領域最傑出的人物。“但我們仍然不知道作為引力理論，它是如何與自然聯絡在一起的。

量子場的爆發

弦理論作為萬物理論的一個高潮出現在20世紀90年代末，當時馬爾達塞納揭示了包含五維引力的弦理論與四維量子場理論是等價的。這種“AdS/CFT”二元性似乎提供了一張地圖，透過將其與古老的、很好理解的量子場理論聯絡起來，來把握引力——這物理學中最難纏的物件。

這種聯絡從未被認為是一個完美的現實模型。它所處的五維空間具有“反德西特”（anti-de Sitter）幾何學，與我們的宇宙一點也不像。

但當研究人員深入研究這種二元性的另一面時，他們感到驚訝。大多數人想當然地認為量子場論已經被很好地理解了。事實證明，我們對它們的理解非常有限。

這些量子場論是在20世紀50年代發展起來的，用以統一狹義相對論和量子力學。它們在很長一段時間內運作得很好。但是今天，當物理學家們重新審視“你認為你在60年前就理解了的那部分”時，IAS的物理學家說，你會發現“令人震驚的結果”，這是完全出乎意料的。“我們所理解的量子場論的每個方面都是錯誤的。”

研究人員在過去十年左右的時間裡發展了大量的量子場論，每一種都用於研究不同的物理系統。這種新型量子場理論的爆發讓人不禁想起20世紀30年代的物理學，當時一種新型粒子——介子的意外出現讓沮喪的拉比問：“這是誰發現的？”到20世紀50年代，新粒子的泛濫使恩里科·費米抱怨道：“如果我能記住所有這些粒子的名字，我就會成為一名植物學家了。”

只有當物理學家們發現了更基本的粒子（如夸克和膠子），他們才開始在新粒子的叢林中看清自己的方向。現在許多物理學家正試圖用量子場理論做同樣的事情。

共形場理論是一個起點。你可以從一種簡化的量子場理論開始，這種理論在大大小小的距離上都有相同的表現方式。如果這些特定型別的場論能夠被完全理解，深奧問題的答案就會變得清晰。

弦理論數學

也許從弦理論的蓬勃發展中獲益最多的領域是數學本身。IAS的研究人員解釋了一些看似棘手的數學問題是如何透過想象一個字串來解決的。例如，一個卡拉比-丘流形（用於描述時空的複雜摺疊形狀）可以容納多少個球體？

數學家們被困住了。二維弦可以在如此複雜的空間中擺動，當它扭動的時候，它就能獲得新的見解，就像數學多維套索一樣。這就是愛因斯坦著名的物理思維方式：

與光束一起飛行的思想實驗揭示了E=mc^2。

從樓上摔下來的想象讓他靈光一閃：

引力不是一種力，這是時空的屬性。

利用弦提供的物理直覺，物理學家們提出了一個強大的公式來解決嵌球問題。他們用數學家不允許的工具得出了這些公式。然後，在弦理論家找到答案後，數學家們用他們自己的術語證明了它。

弦理論也對宇宙學做出了重要貢獻。弦理論在思考宇宙膨脹膨脹背後的機制中所扮演的角色——在大爆炸後的瞬間，量子效應與引力正面相遇——是“驚人的強大”。

膨脹模型在弦理論中以多種方式糾纏在一起，尤其是多元宇宙（多元宇宙的概念是，我們的宇宙可能是無限多個宇宙中的一個），每個宇宙都是由產生我們自己宇宙的相同機制創造的。在弦理論和宇宙學之間，無限可能的宇宙的想法不僅被接受，甚至被許多物理學家視為理所當然。選擇效應將是一個非常自然地解釋，為什麼我們的世界是這樣的，在一個非常不同的宇宙中，我們不會在這裡講寫這篇文章。

這種效應可能是弦理論本應解決的一個大問題的答案。正如格羅斯所說：“是什麼從無限的可能性中挑選出這個特殊的理論（標準模型）？”

構造新圖景

至少，弦理論的成熟版本，提供了強大的新方法來觀察似乎不相容的對自然的描述如何同時是正確的。對同一現象的雙重描述的發現在很大程度上總結了物理學的歷史。一個半世紀前，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發現電和磁是一枚硬幣的兩面。量子理論揭示了粒子和波之間的聯絡。現在物理學家有了弦理論。

一旦我們用弦而不是粒子來探測空間，看事物的角度就不一樣了。如果用量子場理論從A點到達B點太困難，那就在弦理論中重新思考這個問題。在宇宙學中，弦理論“以一種更容易思考的方式包裹了物理模型，也許要花上幾個世紀的時間才能把所有這些線索拼湊成一幅連貫的圖景。

愛因斯坦也曾試圖找到一種萬物理論，但也以失敗告終，這絲毫無損於他的天才。也許真實的情況更像是地圖冊上的地圖，每一張都提供了非常不同的資訊，而且各不相同。使用地圖集將要求物理學家在同一時間精通多種語言、多種方法。他們的工作將來自許多不同的方向。

我們正處於自量子力學在20世紀20年代出現以來最令人興奮的物理時代。但一切都不會很快發生。

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