?弦理論的核心不是0維的粒子，而是構成宇宙的一維弦。

它是物理學中最杰出、最具爭議、最未經(jīng)證實的理論之一:弦理論。

弦理論的核心是貫穿物理學幾個世紀的思想的主線，在某些基本層面上，所有不同的力、粒子、相互作用和現(xiàn)實的表現(xiàn)作為同一個框架的一部分聯(lián)系在一起。不是四種獨立的基本力——強、電磁、弱和引力——而是一種統(tǒng)一的理論，涵蓋了所有這些。

在許多方面，弦理論是引力量子理論的最佳競爭者，它恰好在最高能量尺度上統(tǒng)一。即使沒有實驗證據(jù)，也有令人信服的理論理由認為這可能是真的。早在2015年，著名的弦理論學家Ed Witten就寫了一篇關于每個物理學家都應該了解弦理論的文章。

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標準量子場理論相互作用(左圖)的區(qū)別，像點樣粒子和弦理論相互作用(右圖)，用于閉合弦。

當涉及到自然規(guī)律時，很明顯，在看似不相關的現(xiàn)象之間有多少相似之處。它們背后的數(shù)學結構通常是類似的，有時甚至是相同的。根據(jù)牛頓定律，兩個大質(zhì)量物體的引力方式，幾乎與帶電粒子吸引或排斥的方式相同。鐘擺擺動的方式完全類似于彈簧上的質(zhì)量來回運動的方式，或者是行星圍繞恒星運行的方式。引力波、水波和光波都具有非常相似的特征，盡管它們的物理起源根本不同。同樣的道理，盡管大多數(shù)人都沒有意識到，單個粒子的量子理論以及如何接近量子引力理論也是類似的。

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費曼圖表示電子-電子散射，需要對粒子-粒子相互作用的所有可能的歷史進行總結。

量子場論的工作原理是，你取一個粒子，然后對歷史進行數(shù)學運算。你不能僅僅計算粒子在哪里，它在哪里以及它是如何到達那里的，因為自然有一個固有的，基本的量子不確定性。相反，你把所有可能的到達它現(xiàn)在狀態(tài)的方法(“過去的歷史”部分)加起來，用適當?shù)母怕始訖?，然后你可以計算單個粒子的量子態(tài)。

如果你想用引力代替量子粒子，你必須稍微改變一下這個故事。因為愛因斯坦的廣義相對論與粒子無關，而與時空的曲率有關，所以你不能對粒子所有可能的歷史進行平均。取而代之的是，你對所有可能的時空幾何進行平均。

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由愛因斯坦支配的引力，以及其他一切(強、弱和電磁相互作用)，由量子物理學支配，是我們所知道的支配宇宙萬物的兩個獨立規(guī)則。

在三維空間中工作是非常困難的，當物理問題具有挑戰(zhàn)性時，我們通常首先嘗試解決一個更簡單的版本。如果我們降到一維，事情就會變得非常簡單。唯一可能的一維曲面是一個開弦，其中有兩個獨立的、不相連的端點，或者是一個閉弦，兩個端點連接在一起形成一個循環(huán)。此外，空間曲率——在三維空間中如此復雜——變得微不足道。所以，如果我們想加入物質(zhì)，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(shù)(就像質(zhì)量項一樣):一個美麗的類比。

粒子在多維空間中獲得的額外自由度并沒有起到多大作用;只要你能定義動量矢量，這就是最重要的維度。因此，在一維中，量子引力看起來就像任意維度中的自由量子粒子。

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具有三價頂點的圖是構建與一維量子重力相關的路徑積分的關鍵組成部分。

下一步是合并相互作用，從一個沒有散射振幅或橫截面的自由粒子，到一個可以扮演物理角色的粒子，與宇宙結合。圖，就像上面的圖一樣，允許我們描述量子重力作用的物理概念。如果我們把這些圖的所有可能的組合都寫下來，并把它們加起來——運用我們一貫執(zhí)行的動量守恒定律——我們就可以完成這個類比。一維的量子引力就像一個粒子在任何維度上相互作用。

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在任何特定位置發(fā)現(xiàn)量子粒子的概率都不是100%；概率分布在空間和時間上。

下一步將是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間維度。但這種理論上的重力“升級”可能非常具有挑戰(zhàn)性。相反，如果我們選擇在相反的方向工作，可能會有更好的方法。

我們不需要計算單個粒子(零維實體)在任意多個維度上的行為，而是可以計算一個字符串(一個一維實體)的行為方式。然后，從那里，我們可以尋找類比到更完整的量子引力理論在更現(xiàn)實的維度。

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費曼圖(上圖)基于點粒子及其相互作用。把它們轉(zhuǎn)換成它們的弦理論類似物(底部)會產(chǎn)生一些表面，這些表面可以有非平凡的曲率。

我們應立即開始研究表面，膜，等等，而不是點和相互作用。一旦你有了一個真實的，多維的表面，那個表面可以以非平凡的方式彎曲。你開始有很有趣的行為；這種行為可能是時空曲率的根源我們在宇宙中所經(jīng)歷的廣義相對論。

雖然1D量子引力為我們提供了可能彎曲時空中的粒子的量子場理論，但它并沒有描述重力本身。這個難題的微妙之處是什么?運算符之間沒有對應關系，也沒有表示量子力學力和性質(zhì)的函數(shù)，也沒有狀態(tài)，或者粒子和它們的性質(zhì)是如何隨時間演化的。這種“操作符-狀態(tài)”通信是必要的，但卻缺乏。

但是如果我們從點狀粒子移動到弦狀實體，就會出現(xiàn)對應關系。

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變形時空度量可以用波動來表示(稱為“p”)，如果你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態(tài)。

一旦從粒子升級到字符串，就會有一個真正的“操作符-狀態(tài)”通信。時空尺度上的波動，（例如，一個操作符）自動表示一個字符串的屬性的量子力學描述中的狀態(tài)。所以你可以從弦理論中得到時空引力的量子理論。

但這還不是你得到的全部:你還得到了量子引力與時空中的其他粒子和力的統(tǒng)一，這些粒子和力與弦場理論中的其他算子相對應。還有一個算子描述了時空幾何的波動，以及弦的其他量子態(tài)。弦理論最大的新聞是它能給你一個有效的量子引力理論。

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Brian Greene介紹弦理論。

但這并不意味著這是一個必然的結論，弦理論是通向量子重力的道路。弦理論最大的希望是，這些類比在任何尺度上都成立，弦的圖像將會有一個明確的，一對一的映射，映射到我們觀察到的宇宙中。

現(xiàn)在，弦/超弦圖只有幾個維數(shù)是自洽的，最有希望的一個維數(shù)并沒有給出描述我們宇宙的愛因斯坦的四維引力。相反，我們找到了一個10維的布倫-迪克重力理論。為了恢復我們的宇宙的重力,你必須“擺脫”六個維度和Brans-Dicke耦合參數(shù),ω,無窮。

如果你聽說過弦理論中的緊化這個詞，這就是我們必須解決這些難題的有力證明?，F(xiàn)在，許多人認為存在一個完整的、引人注目的解決方案來滿足緊湊化的需要。但是，如何從10維的布氏理論中得到愛因斯坦的引力和3+1維，仍然是弦理論的一個公開挑戰(zhàn)。

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卡拉貝-尤流形的二維投影，是壓縮弦理論多余維度的一種流行方法。

弦理論提供了一條通向量子重力的路徑，這是幾乎沒有其他的方法可以真正匹配的。如果我們明智地選擇“數(shù)學是這樣計算出來的”，我們可以從中得到廣義相對論和標準模型。到目前為止，這是我們唯一的想法，這也是為什么人們?nèi)绱藷嶂杂诖?。無論你是吹捧弦理論的成功還是失敗，還是對它缺乏可驗證預測的感覺，它無疑仍將是理論物理學研究中最活躍的領域之一。在它的核心，弦理論脫穎而出，成為許多物理學家夢想的終極理論的主導思想。