你好，我在10维时空等你

　　本文来自微信公众号 蝌蚪五线谱（ID：kedo2011），转载已获得授权。

　　前两天有报道介绍 科学突破奖 。荣获2017年基础物理学科学突破奖的是三位超弦理论专家。当时，蝌蚪君只是说，弦论是把本世纪初发现的量子力学与广义相对论结合起来的理论，并没有具体解释是什么意思。

　　即使远隔千山万水，我也能感受到你们的亿脸懵逼。

　　所以今天跟各位聊聊 为什么要有弦论 ， 以及弦论主要说的是什么 。

　　把量子力学与广义相对论结合起来

　　人类（或者说物理学家）有一种执念：宇宙的本质是简洁的（记住这句话）。一定有一个最简洁的理论，能表达世界。宇宙万象，不过都是它的演化而已。

　　目前，在宏观大尺度上，广义相对论非常好用，而在微观世界，量子力学非常好用。但世界不可能是割裂的，这两个乍看之下截然不同的理论，一定是“一个问题的两面”。为了把他们二者结合，才有了弦论。 不过，在介绍弦论之前，我们先要明白， 量子力学与广义相对论的矛盾究竟在哪里 ，为什么必须开发出一套复杂的弦论才能将其结合。

　　先来说说引力。众所周知，根据广义相对论，引力的本质是时空的弯曲。为了解释清楚，我们需要引入一个非常经典的例子。 把时空比作床单，星球（例如图中的地球）就像是床单上的玻璃球——它的质量会让时空产生形变（即时空的扭曲），因此，旁边质量更小的物体（例如图中的月球），就会掉落坑中（进入地球的引力范围，围着地球转）。

　　这个理论很好理解，但它有一个隐含的条件： 没有物质的时空本身是平坦的。也就是说，没有玻璃球压着，床单就不能出坑，而应该是平平整整的。 但量子力学得到的结论刚好相反——在微观尺度，空间并不是平坦的，而是凹凸不平，有涨落的。

　　量子涨落

　　打个比方，宇宙就像一幅油画，虽然远远看去图像十分平滑圆润，但如果你凑到屏幕跟前仔细看，就能发现颜料堆积的高低起伏。

　　油画局部放大

　　不过，这个微观是多微观呢？答案是“普朗克尺度”。

　　普朗克尺度是指约1×10^19GeV量级的能量尺度，即HBAR，C，G都取为一时得到的时间，长度，质量尺度。在普朗克尺度里，引力的强度变得与其他基本作用力相当，理论物理学家认为所有的基本作用力在此统合，虽然详细的机制仍不清楚。

　　宇宙有四大基本作用力，除了引力之外，还有强核力、弱核力和电磁力。但这四个力在宏观尺度下的强度是不同的。 举个例子，两块磁铁近到一定距离，会因为电磁力互相吸引贴到一起。但如果把两块磁铁换成质量相等的两块石头，彼此间隔相同的距离，却不会因为引力而吸到一起——这就是因为引力的强度太低了。如果万有引力的强度为1，那么弱力为10^25 、电磁力为10^36 、强力为10^38 。只有当小到普朗克尺度时，引力的强度才变得与其他三个力相当，实现四个力统合。

　　现在我们总结一下情况：普朗克尺度下，四个基本力统合，但由于时空不平滑，广义相对论不可用。宏观尺度下，广义相对论可用，但量子力学与其是割裂的，无法实现统合。这就是矛盾所在。

　　弦论登场

　　在正式介绍弦论之前，我们先要澄清一点：就像欧式几何一样，弦论是一套能够自圆其说的理论，就像世界上没有几何中完美的圆一样，弦论现在也无法被实验验证。

　　有开弦和闭弦两种

　　欧式几何有5个公理，例如两条平行线不可能相交，其他一起都是由这5个公理推导出来的。类似的，弦论也有3个“公理”：

　　1： 基本粒子的本质是一根弦，弦的不同震动产生了不同粒子。

　　2：存在比我们目前发现的四维时空更多的时空维数。弦论本来要求时空是26维的，后来发现加上下面提到的“超对称”的话，时空是10维的。

　　3：宇宙中的基本粒子之间存在超对称。所谓超对称的意思就是，所有基本粒子都有超对称伴侣，没有一个是单身的。

　　没想到，连高深的理论物理都开始虐狗了

　　正因为有了超对称，假设2里面提到的10维时空就可以写成10=4+6。其中4是我们熟知的三维空间+时间，而6则缩小为一个小宇宙，这小宇宙的名字叫做卡丘空间（不是神奇宝贝里的皮卡丘…… ）

　　除了我们熟知的四维，剩下的6维卷曲在一起，称卡丘空间

　　既然弦论使用了那么多假设，那么我们为什么还需要它呢？ 从理论上讲，闭弦震动产生引力，开弦震动产生各种粒子。这样，弦论就统一了量子力学和广义相对论。 从实用性讲，弦论解决了一个很大的计算问题。本来像电子这样的基本粒子被认为是1个点，没有大小。 但是电子是有电场的，电场是有能量的（手机无线充电的电能就来自于电场）。

　　于是，电子所在的那个点的电场强度是无穷大，也就是说，在那里，能量无穷大。根据质能方程E=mc^2，电子的质量也变成了无穷大。

　　万恶的无穷大

　　为了解决这个问题，物理学家发明了一套很“掩耳盗铃”的技术，这套技术假设电子本身具有负无穷大的质量。这样，一个负无穷大再加上一个正无穷大，就能得到一个有限的数。本来这套“掩耳盗铃”的技术勉强能使。可惜的是，到了引力子那里，这套方法就完全失效了。于是，不得不另辟蹊径——这就有了弦论。 物理学家放弃了点粒子的看法，而假设基本粒子是一根弦。 这样的话，就能避免所有的“无穷大问题”了。

　　你可不要小看这个无穷大问题，对于 不需要做实验的理论物理来说，能算出有意义的结果，就是最重要的事。

　　编辑：zcl