第10章弦理论

　　弦理论（以及它的升级版超弦理论）认为所有的亚原子粒子都并非是小点，而是类似于橡皮筋的弦。与粒子类型的唯一区别在于弦振动的频率差异。弦理论主要试图解决表面上的不兼容的两个主要物理学理论——量子力学和广义相对论——并欲创造的描述整个宇宙的“万物理论”。然而这项理论非常难测试，并需要对我们所描绘的宇宙进行一些调整，也即宇宙一定存在比我们所知的四维空间更多的时空维度。科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于我们没有发现它们。

　　较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由只占一度空间的“点”状粒子所组成，也是目前广为接受的物理模型，也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题，是此理论所根据的“粒子模型”却遇到一些无法解释的问题。比如，在靠近粒子的地方的引力会增加至无限大。比较起来，“弦理论”的基础是“波动模型”，因此能够避开前一种理论所遇到的问题。更深的弦理论学说不只是描述“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。值得注意的是，弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测，关于这一点，以下文会说明。

　　虽然弦理论最开始是要解出强相互作用力的作用模式，但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反电子，正反中微子等等，以及四种基本作用力“粒子”（强、弱

　　弦理论会吸引这么多注意，大部分的原因是因为它很有可能会成为终极理论。目前，描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论在根本上有冲突，广义相对论的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾，这意味着二者不可能都正确，它们不能完整地描述世界。而除了引力之外，量子力学很自然的成功描述了其他三种基本作用力：电磁力、强力和弱力。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙以及应用到“黑洞”、“宇宙大爆炸”等需要同时用到量子力学与广义相对论的极端情况，这还是未知数。

　　额外维是相对于“四维时空”而提出的一个概念，一般泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维度。爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的“四维时空”。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空上再添加一个空间维，也就是添加一个第五维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方程可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。至此，理论中存在额外添加的维度统称为“额外维”。

　　由于超弦理论的时空维数为10维，所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时，可以发现所谓的T-对偶；而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的，并且满足Dirichlet边界条件，所以这些超曲面一般被称为“D膜”。研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”（M理论)，是为“M”字之一来源。

　　弦理论确信至少需要十个维度才能建立一个理论框架，让引力与量子力学互相兼容。弦理论科学家假定，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。不过几种特殊的粒子可以从膜宇宙中穿入穿出，其中最出众的就是引力子和惰性中微子。