為什么會認為弦理論是終極大統一理論？

物理學中未經證實但最精采、最具爭議的理論之一是弦理論。弦理論的焦點是貫串物理學幾個宿世紀的思惟本家兒線，作為統一個框架的一部門，在某些層面上，所有分歧的力、粒子、彼此感化和實際表示被綁縛在一路。不是四種自力的天然根基力（引力、電磁、強和弱力），而是一種同一的理論涵蓋了所有這些。

弦理論的焦點不是0維的粒子，而是組成宇宙的一維弦。圖片：flickr user Trailfan

在很多方面，弦理論是引力量子理論的最佳競爭者，它在最高能量標準上實現同一。盡管沒有嘗試表白，但仍有令人信服的理論依據證實這一點。早在2015年，頂尖弦理論學家埃德·威滕就關于弦理論的所有常識寫了一篇文章。即使你不是一個物理學家，也是如斯。

尺度量子場論彼此感化（L），點粒子，弦理論彼此感化（R）和封鎖弦之間的差別。圖片：Wikimedia Commons user Kurochka

當談到天然紀律時，在看似不相關的現象之間幾多是有相似之處并值得注重。它們背后的數學布局經常是相似，有時甚至是完全不異。按照牛頓心猿意馬律，兩個年夜天體之間引力的體例幾乎與帶電粒子吸引或排斥體例完全不異。鐘擺擺動的體例完全近似于彈簧上質量往返移動體例，也近似于行星繞恒星運行的體例。引力波、水波和光波都有著很是相似的特征，盡管它們的物理發源底子分歧。同樣的，固然年夜大都人都沒有意識到單粒子量子理論以及若何接近引力量子理論也是近似。

上圖是電子與電子散射的費曼圖，它需要對粒子與粒子之間彼此感化的所有可能進行乞降。圖片：Dmitri Fedorov

量子場論的道理是取一個粒子，然后進行數學上的所有可能乞降，不克不及僅僅計較粒子在哪里，以及它是若何達到那邊的，因為天然有一個固有的，根基的量子不確定性。相反把所有可能達到它此刻狀況的體例(“曩昔的汗青”部門)加起來用恰當的概率，然后就可以計較單個粒子的量子態。

若是想用引力來取代量子粒子，必需稍微改變一下這個設法。因為愛因斯坦的廣義相對論與粒子無關，而是與時空的曲率有關，所以不克不及對粒子的所有可能的汗青進行平均，代替這一點，可以代替時空幾何的所有可能。

由愛因斯坦的引力理論，以及由量子物理學支配的其他事物（強、弱和電磁的彼此感化）是支配我們宇宙萬物的兩個自力的法則。圖片：SLAC國度加快器嘗試室

在三維空間中工作長短常堅苦的，當物理問題具有挑戰性時，凡是會起首測驗考試解決一個更簡單的問題。若是將難度降到一維，工作就會變得很是簡單。獨一可能的一維曲面是一個開弦，此中有兩個自力的、不相連的端點，或者是一個閉弦，兩個端點毗連在一路形當作一個輪回。此外空間曲率在復雜三維空間中變得眇乎小哉。

所以若是想插手物質，剩下的就是一組標量場（就像某些類型的粒子一樣）和宇宙常數（就像質量項一樣）。粒子在多個維度上獲得的額外自由度并沒有起到很高文用；只要能界說動量矢量，那就是最主要的維度。是以在一維中，量子引力就像肆意數目維度中的自由量子粒子。

三價極點圖是機關一維量子引力路徑積分的一個主要構成部門。圖片：Phys. Today 68, 11, 38 (2015)

下一步是歸并彼此感化，從一個沒有散射振幅或橫截面的自由粒子，到一個可以飾演物理腳色的粒子與宇宙連系。就像上面的圖一樣可以描述量子重力感化的物理概念。若是把這些圖所有可能的組合都寫下來，應用不異的法例并把它們加起來；若是老是強制執步履量守恒心猿意馬律，就可以完當作類比。一維的量子引力很像單個粒子在肆意數目的維度上彼此感化。

在任何特定位置找到量子粒子的概率永遠不會是100%，概率分布在空間和時候上。圖片：Wikimedia Commons user Maschen

接下來將從一個空間維度移動到3+1維度：宇宙有三個空間維度和一個時候維度。但這種理論上的引力力“進級”可能很是具有挑戰性。相反若是我們朝著相反的偏向盡力，或許會有更好的方式。與其計較單個粒子(一個零維實體)在任何維度上的行為，不如計較一個字符串(一個一維實體)的行為。然后可以從更實際的維度中尋找更完整的量子引力理論。

費曼圖（TOP）是基于點粒子及其彼此感化的。將它們轉換當作弦論近似物（底部）會發生可以或許具有非普通曲率的概況。圖片：Phys. Today 68, 11, 38 (2015)

取代點和彼此感化，在概況膜上運行。一旦有一個真實的多維概況呈現，這個概況就可以以非平直的體例彎曲。起頭有很有趣的行為呈現，這種行為可能是在宇宙中履歷的時空曲率的根源，就像廣義相對論一樣。固然一維量子引力供給了可能彎曲時空中的粒子的量子場理論，但它并沒有描述引力自己。

這個謎缺的微妙之處是什么？運算符之間沒有對應關系，或者沒有暗示量子力學，力和性質的函數狀況，或也沒有粒子和它們的性質是若何隨時候演化的。這種“操作員狀況”對應是需要的，但貧乏的當作分。可是若是從點狀粒子轉移到弦狀實體，就會呈現對應關系。

變形時空懷抱可以用波動來暗示(稱為“p”)，若是把它應用到弦的類比上，它描述了時空的波動并對應于弦的量子狀況。圖片：Phys. Today 68, 11, 38 (2015)

一旦從粒子進級到弦狀實體，就會有一個真正的操作符-狀況通信呈現。時空懷抱（即操作符）中的波動主動暗示弦性質的量子力學描述狀況。所以可以從弦理論中獲得時空中的引力理論。

但這還不是獲得的全數：還獲得了量子引力與時空中的其他粒子和力的同一，這些粒子、力與弦場理論中的其他算子相對應。還有一個算子描述時空幾何的波動，以及弦的其他量子態。弦理論最年夜的新聞是它能給出一個有用的量子引力理論。

布賴恩·格林介紹弦理論。圖片：NASA/Goddard/Wade Sisler

但這并不料味著這是一個必然的結論：弦理論是通標的目的量子引力的道路。弦理論的最年夜但愿是這些類比在所有標準上都能當作立，而且將會有一個清楚的，一對一的弦圖映射到四周的宇宙。此刻只有幾組維度，字符串/超弦圖是自洽的，最有但愿的一個并不給我們描述宇宙愛因斯坦的四維引力。

相反發現了一個10維的Brang-Dikes引力理論。為了恢復宇宙的引力，必需“去失落”六個維度，并將Brang-Dikes耦合參數ω無限化。若是你傳聞過弦理論中的緊化這個詞，這就是必需解決這些難題的有力證實。此刻很多人認為存在一個完整的、有說服力的解決方案來知足緊化需要。可是若何從10維Brang-Dikes理論獲得愛因斯坦引力和3 + 1維仍然是弦理論需要面臨的一個挑戰。