超弦理论：探究时间 空间及宇宙的本原

如果有人告诉你，自然界的物质基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”，那你一定惊呼：“这也太玄乎了吧？”

这个玄乎的理论模型，就是试图统一相对论和量子论的“弦理论”。“弦理论”的宏大理想，是要建立一个可以描述整个宇宙的“万物理论”

弦理论认为，组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，大至星际银河，小至电子、质子、夸克之类的基本粒子，都是由占有二维时空的“能量线”所组成。故弦理论中的基本物质，不是占据空间单独一点的基本粒子，而是一维的弦。这些弦可以有端点，或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。正如小提琴上的弦，不同的振动频率发出不同的音符，而这些不同的音符就是不同的物质粒子。

刚开始的时候，“弦理论”只是用来解释“强相互作用力”的作用模式。后来的研究则发现了所有的亚原子粒子，如正反夸克、正反电子、正反中微子等，甚至连四种基本作用力“粒子”，如强弱作用力粒子、电磁力粒子、重力粒子等，都可以用“一小段的不停抖动的能量弦线”来解释。在“弦理论”看来，各种粒子彼此之间的差异，只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。包罗万象的“弦理论”正式被提出来了。

后来的研究者们，又在“弦理论”加入了“超对称性”，便成了“超弦理论”。为了方便区分，较早的“弦理论”以全名称呼叫“玻色弦理论”，后面升级版的“弦理论”叫“超弦理论”。今天所说的“弦理论”和“超弦理论”，是一个意思。

“弦理论”不只是描述“弦”状物体，还包含了点状、薄膜状物体，更高维度的空间，甚至平行宇宙。

目前广为接受的“粒子模型”有一些无法解释的问题。例如，在靠近粒子的地方的引力会增加至无限大。“弦理论”用“波动模型”则能够避开这个问题。

广义相对论描述的时空是平滑的，而量子论描述的时空是离散的，微观时空充满剧烈的量子涨落；相对论描述的引力本质是时空弯曲，而量子论描述的引力是物体之间交换“引力子”。相对论适用于宏观领域，量子论适用于微观领域，二者没有交汇之处。“弦理论”很可能是量子引力的解决方案之一。

“弦理论”通过假定有十个维度的空间，让引力与量子力学互相兼容。“弦理论”还假定，宇宙中所有粒子都被局限在一个四维的膜宇宙（brane)中，而膜宇宙又漂浮在一个更高维度的体宇宙（bulk)里，只有引力子、惰性中微子等几种特殊的粒子，可以从膜宇宙中穿入穿出。

超弦理论，在理论上革命地统一了量子力学和广义相对论，揭示了相互作用和时空的一些本质，并暗示了时间和空间并不是最基本的，而是从一些更基本的量导出或演化形成的。如果在实验上被证实，那将是一场人类对时空概念、时空维数等认识的革命，其深刻程度不亚于上个世纪的两场物理学革命。

题外话，有好事者将“弦理论”延伸解读，说什么“振动得慢的弦是物质”“振动得快的弦是意识”。“弦理论”本身就玄，他们这么一搅和，就更玄了，简直让人头晕目眩。

想进一步学习了解“弦理论”的朋友，下面推荐几本书，希望对你有所启发。

“空间”和“时间”究竟是什么？物质的本原不是点，而是弦？黑洞、高维度空间应该如何解释？

“超弦理论”是继牛顿力学、爱因斯坦相对论之后，时空概念的“第三次革命”。“超弦理论”统一了引力理论与量子力学的矛盾，超越了“弦理论”的局限，解释“标准模型”中“费米子”与包括“上帝粒子”的“玻色子”的振动形态。

大栗教授以通俗、风趣的语言讲解了量子物理基础、“弦理论”到“超弦理论”的最新发展、“超弦理论”的理论原理及证明，并在“超弦理论”下重新思考与探究了时空概念。