弦理论到底在说啥？
量子力学和相对论是20世纪物理学的两大突破，但是两者之间却存在矛盾，始终无法很好的结合起来。在这样的背景下，有物理学家提出了弦理论，认为它是能够统一这两大学说的“万有理论”。你听说过弦理论吗？它真的能解答宇宙的终极问题吗？为什么要用弦来代替粒子作为万物基元，而不是其他东西？弦理论所提出的高维空间真的存在吗？它可以被证实吗？关于弦理论，你不知道、想知道的，都在这里！
（文字根据嘉宾聊天内容整理，为了更好地理解弦理论，建议配合视频一起使用）
（左）夏笳
西安交通大学副教授 科幻作家
（中）周哲
科普博主妈咪说 西瓜视频创作者
（右）黄庆国
中国科学院理论物理所研究员
No.1
神秘的弦理论，究竟是什么？
夏笳：今天我们要聊一个非常高能的题目：弦理论。喜欢科幻的朋友可能会看一些科幻小说，比如刘慈欣的《三体》，里面有非常玄妙的、前沿的理论物理，这些东西对于很多人来说非常烧脑。
今年，理论物理的最高奖叫“狄拉克奖”，三位获奖者都是做弦理论相关研究的。很多媒体报道了这件事情，但是很多人不知道什么是弦理论。两位老师能不能先简单讲一下什么是弦理论？它是怎么来的？它是为了解决一些什么问题？
周哲：简单来说，弦理论相当于我们认识世界的一种方式。这个世界是由什么构成的？最小的单元是原子，更小的是电子、夸克，但是，夸克往下还有没有更加基础的结构？
弦理论认为，世界最基础的结构是由“弦”构成的，“弦”就类似于橡皮筋，这就是世界最基本的单元。
夏笳：就是把“弦”作为世界最基本结构的一个基础单元，在此基础上解释很多物理现象、物理原理。
黄庆国：构成世界的最基本的单元是原子，它的中间有一个原子核，电子围绕着原子核转，原子核里面有质子和中子，而质子和中子又是由更基本的粒子，也就是夸克组成的。我们把电子、夸克都看作是点粒子，是没有结构的。
在数学上，它们就是一个点。但是会有一个问题，为什么同样是点的一个粒子，它有时表现为电子，有时表现为夸克？为什么这个点有这么丰富的物理信息？
我们描述自然界的相互作用时，最简单的电磁相互作用力就是库仑力，它的大小与距离的平方成反比。想象一下，如果一个电子是一个点，它自身也会产生电场，它又受电场的影响，因为它的大小是零，它的距离就是零，力的大小又与距离的平方成反比，那就会出现无穷大。当出现无穷大时，研究科学或研究物理的人就手足无措了，因为我们没有办法通过任何实验去看一个无穷大的东西。
为了解决这些问题，人们在上世纪70年代萌发了一种想法：构成世界的最基本的单元，它不是像电子、夸克这样的点粒子，而是一维的、像弦一样的东西。
这些粒子，为什么又表现出电子和夸克？因为这根弦可以振动，不同的振动模式对应不同的粒子，而且弦是有限大的，所以它也避免了无穷大的问题。
这就是为什么弦理论的思想一提出来，就吸引了很多物理学家，特别是理论物理学家感兴趣的原因。就像琴弦一样，它有两种状态，一种状态是两个端点是自由的，不连在一起，我们称为开弦。
电子、夸克这些基本粒子就对应弦的某种振动状态，而我们发现有一件很有趣的事情：只要有开放的弦，就一定有闭合的弦。因为一根开放的弦在演化运动的过程中，一定可以在某个地方结成一个圈。这就告诉我们一个很简单的道理，弦理论由开弦和闭弦构成，并且有开弦一定有闭弦，有闭弦不一定有开弦。一个圆圈再怎么扭，再怎么重新粘贴，它还是一个圈。所以弦理论有两种，一种是只有闭弦的弦理论，一种是既有开弦又有闭弦的弦理论。
No.2
解答宇宙终极问题？弦理论的诞生
夏笳：弦理论是在解释的过程中发明出来的一个想象的产物，并且产生了关于开弦和闭弦的系统。
弦理论发展的历程是什么样的？最初是谁想出来的？
周哲：物理学家一直希望找到一个统一的理论，能够描述四种基本作用力，但是当时的问题是引力还放在一边，比较困难。需要先把弱力和电磁力统一起来，强力也就是原子核内部的力已经有希望统一了。当时，意大利物理学家韦内齐亚诺在研究强力时，发现了一个公式（欧拉积分中的β函数），用这个函数可以处理强力中4个粒子的散射模型。但是，韦内齐亚诺的公式提出来后，并没有太多人重视，因为那时有一个理论学：量子色动力学，简称QCD。
QCD直接解决了强力的问题，所以在比较长的一段时间内，韦内齐亚诺的公式被人们抛弃了。后来其他物理学家，南部阳一郎等人把公式捡了起来，发现β函数之所以可以描述具有4个粒子的散射模型，是因为在β函数中可以把粒子当做某种空间延伸量，即一根弦。这样，弦理论才有了一个开端。也就是弦的不同振动模式，就对应了不同种类的粒子。
夏笳：这些基本粒子的不同特性，是怎么通过弦不同的振动来表现的呢？
黄庆国：一个粒子的基本性质主要包括质量和内部转动，也就是自旋，通过一些参数或量子数来描述，人们发现振动的弦具有与这些基本粒子一样的性质，所以我们就发现弦是可以用来解释这些基本粒子的。
弦理论起源于韦内齐亚诺猜的一个函数，但是它只能描述基本粒子物理里的强相互作用力，但是自然界中还存在另一种基本的相互作用力，也就是引力相互作用力，而之前很多理论学家试图把引力也纳入到这个理论框架中，爱因斯坦晚年也在这上面花费了很多时间，始终没有取得成功。
上世纪70年代，南部阳一郎和当时还是学生的米谷明民发现了一件非常有趣的事情，闭弦所传递的相互作用力，恰好就是我们想要去解释的引力这一基本相互作用力。但是他很快又发现一个很严重的问题，一根普通的弦在时空中振动，它只能够解释玻色子，但是构成这个世界的最基本的物质实际上是一种叫“费米子”的东西。
“费米子”是什么？比如，我在这里转一个圈，转360度就转回来了，而费米子不是，得转两圈才能转回来。电子、质子、夸克都是费米子，为什么构成这个世界的基本粒子必须是费米子？因为费米子有一个非常特殊的性质，叫做泡利不相容原理。泡利不相容原理是指任何两个相同的费米子，比如两个电子，不能同时占据同样的轨道，如果没有这样的性质，所有的电子都待在离原子核最近地方，就没有元素周期表了。正是由于这个原理，才有了元素周期表，使得有丰富化学性质的物质构成了绚丽多彩的世界。但是，一根弦在时空里运动、振动时不能产生费米子。为了解决这个问题，人们就需要引进超对称。
超对称是什么？我们通常描述普通的时空坐标，就是X轴、Y轴，还有另一个轴，它的坐标可以用一个数字表示，比如这个数字是位置距离原点一厘米或一分米，我们可以拿这个数字来做乘法，1×1等于1，但是为了得到一个费米子，人们发明了另一种奇怪的数字，叫做格拉斯曼数，它自己和自己相乘等于0。泡利不相容原理告诉我们，两个相同的费米子是不能处于同样的状态的，所以引入一个超空间后，原来的弦理论就变成了超弦理论，于是就可以实现费米子。
No.3
从弦理论到超弦理论
夏笳：用这样一套数学的方式来计算费米子，它的自旋、质量与观测到的电子、夸克是一样的，这样就诞生了超弦理论，超弦就是因为引入了超对称。
黄庆国：是的，它与我们通常接触到的时空结构不一样，我们将它称为超空间。
夏笳：很多时候，我们谈到弦理论就会谈到多维空间，其实它们不是一回事，这个空间是一个数学空间的概念，不是现实的物理空间，它只能用数学的方式去表达，至少目前为止，我们感受不到这个超空间的存在，它是不是真实存在的，我们还不知道。
周哲：刚才黄老师说，构成世界的粒子都是费米子，除此之外，还有与之相伴的玻色子，实际上就是传递四种基本作用力的基本粒子，比如电子和电子之间传达作用力，是通过不停发射光子的方式。
费米子有一个特点：它们满足泡利不相容原理。即两个全同的费米子不能处于相同的能量态，但是玻色子不一样，不管空间多么小，有多少个玻色子都没关系。
比如说引力无穷大，这对于费米子来说就无法做到，但对于玻色子来说，它就可以做到，这就是它们最大的不同。这也是引入以格拉斯曼数为坐标数的超空间的原因，这方面确实有些抽象。
夏笳：在那之后又出现了哪些新的猜想？
黄庆国：有了超弦理论后，人们就开始构造有开弦的弦理论，但是他们发现这个理论是病态的。上世纪70年代，温伯格、格拉肖和萨拉姆提出了一个非常成功的粒子物理的标准模型，使很多人都离开了弦理论的研究，去研究量子场论。
而当时只有一位非常孤独的研究者，美国加州理工大学的施瓦茨，他花了十年时间，终于想到了一个办法，他引入了一个32维空间的转动的对称性，解决了有开弦的超弦理论中的这种异常现象，从而得到了一个有可能描述现实世界的自洽的弦理论，这个发现震撼了整个学术界，从此开启了弦理论的第一次革命。
No.4
弦理论之王：M理论的提出
夏笳：虽然有很多地方我们可能不是很明白，但是听上去非常激动人心，之前的理论有一个致命的缺陷，最后一个像独孤求败的人，拿出了一个完全超出人类正常想象的奇怪模型。
黄庆国：超弦第一次革命开端后，很多人又重新回到弦理论的研究中。这些非常聪明的人又发明了另外四个弦理论，这四个弦理论也都是自洽的。这时就出现一个问题，描述我们所看到的自然界的正确理论应该是唯一的，但现在弦理论有五个，我们不清楚它们是否都是对的，但是它们看上去都是自洽的。
经过大概十年的研究，另一个非常著名的学者登场了，这个人就是爱德华威腾，在一次会议上，他提出了一个新的理论：M理论。这个理论统一了前面所有的弦理论，但是他并没有解释这个M的意思，大家众说纷纭。
有人猜M可能是Mystery，有人猜是魔术Magic，也有人说是Mother，还有人说是Master。有人说这些都不对。M是什么？把威腾的第一个字母W反过来写就是M，但是威腾从来没有解释这个M到底是什么意思。
夏笳：在M理论之前，所谓的五套弦理论都是根据第一个施瓦茨的理论，引入了32维空间的转动对称性，剩下四套理论是不是也都引入了这样一个多维空间的概念？
黄庆国：超弦理论只能生活在九维空间加一维时间的时空当中，如果不是这样的时空维度，这个理论是不自洽的，会出现一些病态。我们是怎么计算出时空维度的？之前的所有理论，比如爱因斯坦的广义相对论，还有量子场理论，都可以在任何的时空维数上去写，都是可以成立的。唯独弦理论，它限定了时空的维度，必须是十维，只有在十维时空里去计算它对应的光子的状态，光子才是零质量的，才跟我们观测到的光子的质量是一致的。但是在威腾的提出的M理论中，还有一个触角，这个触角并不是十维，而是十一维，也就是超引力理论，这是引入超对称之后的一个引力理论所能生存的最高的空间维度。
大家会问，超弦理论是十维的，你怎么又说到一个十一维的理论呢？在这个十一维的引力理论里，它存在一个非常基本的解，这个解不是一维的弦，而是一个二维的膜，就像一张纸一样。
这样的一个理论，为什么与十维一个弦理论有关系？这有一个很简单的道理，比如我们把一张纸卷起来，卷得很小，它就变成了一根丝，这就是十维的弦。
而二维的膜，它的英文单词是Membrane，所以有人说也许M理论中的M指的是Membrane。
威腾提出的M理论开启了弦理论的第二次革命，而第二次革命后一个很重要的发现，就是也许弦也不是最基本的东西，膜才是更基本的东西。
周哲：一维的弦，二维的膜，三维的方块，这些都有可能成为宇宙中最基本的结构。
No.5
什么是十一维空间？
被藏起来的高维空间
夏笳：说到高维的空间，大家一般接触到的可能就是四维空间，还有《星际穿越》里说到的五维空间。
弦理论里有九维、十维甚至十一维，包括刚才说到的三十二维空间，为什么我们日常无法感受到这些高维空间？多出来的维度是以什么样的形式存在的？
黄庆国：它被藏起来了。比如一根绳子，在我们看来是一个一维的东西，如果上面爬着一只蚂蚁，它就能感觉到这根绳的粗细，这就是一个新的维度。在我们看来是一维的东西，蚂蚁看到的就是二维的。
这些多余的维度，我们让它变得很小，使得我们感觉不到它，还有另一种可能性，超弦理论是在九维空间加一维时间的时空中存在的理论，而现实生活中我们能感受到的时空维度有多少？是一个时间的维度，加上三个空间的维度，我们还多了六个空间的维度。当物理学家试图寻找这样的时空结构时，他们发现数学家在几年前已经找到了，这个时空就是卡拉比-丘流形。我们无法把它画出来，因为它是一个六维的空间，我们不能把它展现在二维的平面上。
夏笳：关于M理论有一个梗，美剧《生活大爆炸》的主人公谢尔顿，说他研究的就是M理论，外行才叫弦理论。实际上，谢尔顿的意思是说他做的是升级版的，或者是经过威腾统一之后的弦理论。
黄庆国：尽管我们仍然称之为弦理论，但弦可能并不是最基本的东西，里面已经引入了一个膜的概念，也可以理解为弦起源于膜。所以从这个意义上来说，经过弦理论几十年的发展，到今天，我们认为膜可能才是更基本的东西。
周哲：弦理论只是个开端，将来还可能会走得很远。弦理论最早是玻色弦理论，或者它只能描述玻色子，第一次超弦革命，弦理论看起来是可以描述玻色子的，但是不能把费米子包括进来。用三十二维的方式，还有引入格拉斯曼数，就是要它的“反对易性”，实际上就是超对称性，只有通过超对称性才能把费米子引入到弦理论中。
夏笳：这是在第一次革命的过程中所解决的问题吗？
周哲：这是在第一次革命之前，超弦理论诞生出了五个版本，后来威腾的工作就是发现背后有一个理论能够把它们统一。但是弦理论之后的走向，就有点像科幻中经常有的桥段，比如看到一头大象，就会想到它会不会是动物园里的一部分。
夏笳：在大众的科普里，经常会讲到大统一理论，或者叫万物理论，就是用一套具有最强阐释力的理论，解释所有粒子的相互作用力、物理结构、物理模型等。在这个过程中，弦理论数次扮演了非常重要的角色。
黄庆国：至少目前为止，我们发现弦理论是最有希望成功的万物至理，我们称之为TOE（Theory of Everything）。
No.6
弦理论可以被验证吗？
验证方法有哪些？
夏笳：我们刚才大概回顾了一下弦理论发展的历程，它经历数次理论革命后变成了现在的状态。但是在这个过程中，理论物理学家的工作是在数学模型或一种猜想的工作里。所以目前为止，弦理论是可以被验证的吗？在验证上有什么样的难点？
周哲：当然可以验证，不过确实很难，弦的尺度太小了，但是可以通过其他途径验证，比如弦理论预言了一些粒子的存在，弦理论中有超空间，超空间具有超对称性，超对称性的一个直接结论就是相现有的所有费米子和玻色子，它们都要有一个和自己对称出来的伴子。比如现在所有费米子都要有自己的玻色伴子，玻色子要有自己的费米子伴子。
按照现在的基本模型，基本粒子一共是61个，到2012年，CERN的LHC大型强子对撞机，发现了最后一个就是希格斯玻色子，标准模型已经很完善了，所有的粒子都已经被发现了，LHC的能量也已经是现在人类能够达到的最高量级了。可是现在所有粒子的数量相当于要翻一倍，它们都要有自己的超对称伴子，但目前为止，这些粒子都没有被发现。
如果发现了，至少能证明超对称理论是正确的，我们就有理由相信超弦理论也是正确的，所以这相当于是一个间接的证明。最直接的就是要看弦，但弦是看不到的。当然还有别的办法，现在一些宇宙学家打算通过21厘米氢线去找宇宙初期的宇宙弦，如果能够找到宇宙弦，也相当于是一个证明。
黄庆国：大家都认为弦理论没有什么实验的证据，但是换一个角度来说，自然界中应该存在费米子，我们在超弦理论中一定要引入超对称，那么超对称就意味着我们除了这些基本粒子以外，还应该有这么多超对称伴子。尽管这些超对称伴子都还没有被发现，但是我们不是已经发现它一半的粒子了吗？
我们已经发现了一半，只是想去找另外一半而已。那么我们怎么去找弦呢？弦可能很小，我们可以建造一个显微镜，而现在能够建造的最好的显微镜是大型的粒子物理加速器。
但是目前为止，我们用最好的加速器还没有找到这样的弦。另一个就是我们可以在天上找这根弦，我们可以从微波背景辐射来看弦移动，它的左边和右边看到的现象是不一样的，但现在我们还没有找到这样的现象。
还有一个办法，宇宙弦会振动，振动时就会发出引力波，它发出来的引力波和黑洞碰撞出来的引力波是不一样的。所以我们还可以利用引力波去找这根弦。
大家总是在说没有找到弦理论的证据，其实在我看来，我们已经有很多证据了，这个证据是什么？就是万有引力。为什么弦理论和万有引力有关系？因为弦有开弦，有闭弦。开弦对应的是物质，一个只有开弦的理论不是自洽的弦理论，因为开弦总可以打个结，变成一个闭弦，而闭弦传递的前后作用就是万有引力。它跟我们的逻辑是一样的，只要有物质、有开弦，就一定有闭弦，有闭弦就一定产生引力，而万有引力已经被我们证明存在了。
实际上，为了描述基本粒子之间的相互作用力，我们原则上都可以不要弦理论，有量子场论就足够了。为什么我们要弦理论？因为弦理论中自然的包含第四种基本相互作用力，也就是引力相互作用力。
这也是为什么上个世纪70年代弦理论被提出来以后，大家对弦理论产生很浓厚的兴趣的一个重要原因，它可以把自然界中最弱的一种相互作用都包含进来。所以，在弦理论中就包含有目前为止我们所了解到的所有要素，这就是我们把它称为TOE的原因。
夏笳：验证弦理论，有一个方法就是用大型的粒子对撞机，可以在这里面捕捉到它的结构。大家比较常听说的就是关于LHC大型强子对撞机，实际上这个对撞机目前还没有做出能够验证弦理论的发现。
我听说美国有一个SSC计划（超导超级对称对撞机），是要建一个更大的对撞机，它大概是多大的规模？
黄庆国：它的规模应该跟LHC差不多。
周哲：其实他们最早也是奔着希格斯玻色子去的，因为又追加了很多预算，在已经花了20亿美元的基础上，又要增加100多亿美元，预算扛不起了，整个项目就放弃了。
夏笳：验证理论物理时需要建实验仪器，这可能是一个巨额投入，运行一次要花很多钱，但是，最后能够得到的结论是否可以有实际的应用？有人会质疑，花了这么多钱建仪器，到底为了什么？这个问题在科普的过程中，应该也有人问。
周哲：每个人的角度不同，比如建对撞机，投进去的是真金白银，产出的是知识成果，是一种价值，对撞机不可能撞出现金。
怎样衡量产出的东西值多大的价值，每个人的感受是不一样的。
夏笳：比如在《三体》中，他认为这种基础理论研究投入非常大，但是它是整个科学研究最底层的，或者说最后、最核心的推动力，如果不去研究和投入，可能其他研究无法取得决定性的进展。
周哲：比如我们真的碰撞出超对称的粒子，这当然是无价的，无法用金钱去衡量。问题是，我们不知道哪一次，什么样的能级能把它碰出来，所以衡量起来比较复杂。
黄庆国：我们做研究的，不仅局限于对撞机。做科学研究不是开公司，所以不会去算性价比，就像当年法拉第发现电磁感应现象时，有人问他这东西有什么用，法拉第的回答是没有什么用。但是，如果我们对电磁理论没有了解，就无法想象我们现在的生活是什么样子。
所以，我认为科学并不是简单用金钱来衡量的。
周哲：科学家本身的想法肯定是这样的，但是终归要有一些部门考虑钱的问题。
No.7
什么样的人在做弦理论研究？
夏笳：了解到这些进展后，我们现在也无法保障在20年、30年之后，它就一定能够给我们带来一个实际的产品，但是至少我们会看到，它的前景是非常令人期待的。
听说研究学理论的人数在全国乃至全世界都非常少，大概是多少量级的人？
黄庆国：目前，全世界比较活跃的可能有几百人。其实这不少了，想当年，施瓦茨一个人就带来了弦理论的第一次革命。所以，人在精而不在多。
夏笳：我之前在网上看到一个国外的大学教授，他写了一篇文章，解释读PHD的意义。他画了一个图说，如果把人类所有的知识都放在一个圈里，我们日常生活需要用到的知识在这个圈很核心的部位，都是无数代人积淀下来的很稳固的知识。
但是当你再去读书，读硕士、博士时，你是为了通过知识的积累逐渐朝圆圈的边缘挺进，最后抵达了圆圈的边缘，你要做的是跟边界死磕，通过非常孤独、艰难的努力，把圈的边缘磕出一个很小的坑。在外界看来，坑可能在圆圈的圆周上只占了微不足道的面积，但它对于人类的知识来说，就是一小步，也是一大步。理论物理特别能够体现这种所谓的跨越边疆边缘性，因为所问的很多问题都是之前没有人能够去问的，或者说没有人能够回答的。
周哲：终究还是为了传承某种东西。
黄庆国：做科研的，面对的永远是黑暗，我们把光明留给了别人。因为我们总是去发现新的东西，我们面对的都是未知和黑暗。
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