弦理论 VS M理论:解释宇宙的对决

在弦理论中，微小的弦取代了传统的亚原子粒子。(图片:©米歇尔·泰勒 | 示意图)

保罗·M·萨特是俄亥俄州立大学的天体物理学家、《向宇航员和太空电台提问》的主持人、《你在宇宙中的位置》的作者。萨特将这篇文章贡献给了Space.com特约的专家之声:观点与见解。

在20世纪90年代早期，弦理论陷入了理论困境。几十年来，理论家们一直全心全意地相信构成现实的基本构件是微小的、振动着的弦。这是一个潜在的具有革命性的想法，它能够把自然界所有的力和物质所有的构件结合成一个单一而和谐的画面。

然而令人疑惑的是，弦理论的五个模型，每一个看起来都与其他的截然不同。究竟哪一个才是正确的呢?

弦理论的五个模型

这五种不同的弦理论有一些共同点。首先，它们都涉及弦，也都要求我们的宇宙有10个维度：通常是3个空间维度，1个时间维度，还有6个更袖珍的维度——它们很小，以至于在亚微观的尺度上卷曲在一起。

在这几个理论中，弦振动的方式极大地丰富了我们的物质世界，从自然的力量到物质的构成，再到物理常数本身。但涉及到物理理论时，每个弦理论的细节就变得很重要，而这五种相互竞争的弦理论模型在细节上有所不同。一些理论只有闭合的弦环，而另一些理论则允许开放的、摆动的弦；一些理论只允许振动沿弦的一个方向传播，而另一些则允许沿两个方向传播；有些理论则是其他理论的结合。

如果你好奇的话，这五种弦理论的名字分别是:1型，IIA型，IIB型，杂交 SO(32)型和E8×E8弦型。

很显然，它们不可能都是对自然的正确描述，但哪一个是“真正的”弦理论，哪一个又是假的呢?这个问题时至今日依然在争论，因为现在的弦理论并不完整，也没有所谓的弦理论的最终方程，没有那种可以印在t恤上的存在，更没有和我们描述爱因斯坦引力方程或麦克斯韦电磁方程一样的确切方法。

我们只有一个近似的值，我们希望它接近实际理论值——但这无法证明。这五种弦理论模型代表了五种不同的近似值，我们目前无法判定哪一种是最好的。

命运的二象性

1995年，著名理论物理学家爱德华·威腾在年度弦理论会议上发表了演讲。在演讲中，他提出了一个新奇的观点，他认为这五种弦理论也许并没有那么大的差异。

事实证明，这五种弦理论之间存在着有趣的联系，被称为二象性或对称性。例如，对于弦来说，我们不知道它们之间的相互作用有多强，但是如果采用1型弦理论来增强它们的相互作用强度，最终你会得到弱化版的杂交SO(32)型。

又比如说，有时候弦以一定的动量围绕一个很小的、卷起来的维度旋转一定的次数，但是它旋转和动量的二象性会快速翻转。这种二象性将IIA型和IIB型弦理论联系了起来。

这些二象性表明这五种弦理论在某种程度上都是相关的，而且都在探索着更深层次的东西。这些东西可以通过所有的二象性进行推测。通过尝试推测五种弦理论中的二象性，有时你会得到另外五种理论中的一种，有时你会得到新理论的二象性。

什么是“新理论”?爱德华·威滕建议称其为“M理论”，并对“M”进行了解释，例如，“母亲（mother）”、“神秘（mystery）”或“膜（membrane）”，有助于我们真正地理解何为“M理论”。

巨大的膜

M理论就像一个弦的超级理论，它认为五种弦理论实际上只是一个更大、更神秘的理论的一角。我们过去认为这五个弦理论就像独立的行星，而我们的理论和数学探索局限在各个行星的小岛上。但是M理论揭示了这些岛屿实际上一直存在于同一个更大的行星上。

对于我们知之甚少的M理论来说，它有一个奇怪的特征——即我们所认为的弦理论似乎只是真实情况的一种低能量的近似值，宇宙中其实有11个维度，而不是10个。

更重要的是，现实的基本构成不再是弦，而是d膜。“膜”只是用来形容多维振动物体的一个花哨的词，字母“d”表示维度（dimension），我们的一切从1膜(线)到2膜(面)到3膜(体)甚至更高的维度。

大多数情况下，这些膜是低维的，基本上和像弦差不多，而第11个维度在宏大的宇宙交响乐中扮演的角色并不多。

除此之外，人们对M理论知之甚少。弦理论家通常在上述五种常见的弦理论框架内工作，因为这些理论已经被研究了几十年，额外的维度和膜的引入使得弦理论已经很繁复的数学运算变得更糟。尽管如此，理论家们仍在理论的边缘地带继续探索，他们希望有一天能给M理论中的“M”取一个全名。

作者: Paul Sutter

FY: 平陆成浆

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