本文来自微信公众号：混沌学园 （ID：hundun-university），作者：混沌学园，题图来自：《星际穿越》
20 世纪，科学爆发式发展，物理学发生了两次大的革命：一次是颠覆牛顿物理学的狭义相对论和广义相对论，另一次则是量子理论的建立。但是，量子场论和广义相对论互不相容，一种可以调和矛盾的统一理论就成了必要。
爱因斯坦在生命最后的30年里，一直在寻找统一场论。
但是，至死爱因斯坦也未能实现他的梦想。直到弦理论的出现，才让这件事有望变成现实。
什么是弦理论？超弦理论是否是真正意义上的统一理论？为什么说整个宇宙如同屏幕上的一个点？
2023年1月，混沌文理院第四期第五模块“超弦：物理学大一统理论”在古城长沙开课。南方科技大学物理系教授、理论物理学家李淼老师带领同学们一起领略“弦的世界”，探究宇宙从微观到宏观的底色，掀开了弦理论的神秘面纱。李淼老师是中国引力波计划发起人，也是中国弦理论领域最有发言权的科学家之一。
本文回答了“弦是什么”以及“如何用弦理论来看多元宇宙”这两个核心问题。以下为李淼老师的分享：
弦其实非常简单
弦是什么？其实非常简单，就是一根弦。所谓闭弦就是封闭的，是个圆，这根弦做振动。当弦不发生相互作用的时候，作为一个自由的个体，它不跟外界打交道，永远是同一个模式。如果它是更加复杂的模式，就永远是这个复杂的模式，没办法改变。在不考虑余音效应的情况下，有点像弹一架钢琴的弦，这根琴弦一直在响。
在上世纪80年代中期，物理学家突发奇想，能不能用不同的弦的振动方式来解释不同的情境。如果说弦是一种最简单振动，它代表光子，这个复杂的运动是不是能代表引力子，中间的东西代表夸克或者电子。这不光是自然的，在数学上居然能实现，真是一个奇迹。因为是奇迹，所以尽管没有任何实验，绝大多数的弦论物理学家认为弦论是绝对正确的。但我觉得弦论可能95%是正确的。
弹钢琴会发出不同的声音，同理，物理学家只是把基本的弦看成不同的粒子，不同的声音等于不同的粒子，而且它的质量居然可以跟基本粒子一一对应起来，这件事很奇妙。
弦的特性
怎么描述弦的运动？很简单，我们描写基本粒子的运动就是一根弦。如果是一个开弦，跟琴弦一样有两个端点，它运动起来是一个带状的图形（a）。如果是一个闭弦，是一个圆，它运动起来是一个柱状的图形（b）。
为什么说不同振动模式对应于不同的粒子？比如我们拉一根皮筋的时候会有力量，这是张力，如果是一根钢丝的话，这个力量要更大，说明钢丝的张力比橡皮筋更强。
不同振动的弦的长度是不一样的，这说明什么？张力储存的能量不一样。如果弦振动得更复杂，显然它的长度更长，因此张力所含的能量也就不一样。振动模式越高，弦的能量越大。所以在弦里，其实有无数的粒子。如果振动一个驻波是一种基本粒子，振动两个驻波的粒子能量就多出一倍，如果振动三个驻波，能量是振动一个驻波粒子的三倍。
弦论物理学家还能给弦上色。在标准模型描述中，有个基本的理论叫做量子场，简单理解就是把电磁场的量子规律写出来就叫量子场。弦在量子场论里是可以上色的。一根弦不上色，它表现的可能是光子，如果我把它上色，表现的就是电子。
弦的张力比钢丝要强太多倍，因此想要把它振动起来太困难了。振动钢丝的话，用弹琴的小锤子在琴弦上敲一下就行了，它就能振动起来。可是弦的张力巨大，大到每厘米千万吨，弦这么重怎么办？其实弦是微观的，它根本不可能到厘米这个量级，可能只有10的负几十次方厘米这个量级，因此，可能一根弦多振动一下就涨了10-10克，因为它太短了。
弦是什么？
弦是什么？物理学家通过一个多世纪的剥洋葱，终于把这个世界剥成基本粒子。但是基本粒子又太复杂了，因为太多了，弦论物理学家想要的理论是个简洁的、简单的理论，于是他们就认为应当有弦存在。弦可以振动，不同振动模式形成不同的粒子。在弦论里有无限多个基本粒子，越重衰变得越快，这是可以计算的。弦最基本的相互作用就是一根弦变成两根弦。我们不能随意地给弦相互作用，不像规定电子可以释放出一个光子但不能释放出一个胶子，弦本身不用规定，因为它必须是一个基本的知识点。
第二个基本的知识点，弦的不同振动模式之间的质量差别是巨大的，因为弦的张力非常大，比我们想象的钢丝要强很多倍。至于弦的张力到底有多强，要靠未来的实验来决定。
两根弦相互作用，变成另外两根弦，有很多不同的方式。一个最简单的方式，然后加上一个稍微复杂的方式，有点像一个甜甜圈、两根甜甜圈、三根甜甜圈……加起来，就是所有的弦加起来，这种弦论叫做微扰论，也就是通过更加复杂的相互作用把它加起来，把更高阶的、更复杂的相互作用加起来。
这是一个多元宇宙的图像，有可能在我们卧室就有很多个宇宙，而这个宇宙有可能也变成一个大爆炸，有的可能爆炸不起来，又收回去了，有的就成长起来变成一个宏观的大宇宙，甚至里面会产生生命。
用人择原理来解释人类的出现
这里讲一下人择原理。多元宇宙是基础，必须很多宇宙，必须有很多人去买彩票，但人择原理第二部分就是人择，买到彩票的人，不要解释说我为什么中奖，反正我中奖了。换句话说，因为我中奖了，所以我才提这个问题。如果我不中奖，都没有人，根本没有人去问这个问题。
一个宇宙里很荒凉，怎么会有人去问为什么没有这个宇宙？但是我们这宇宙不荒凉，突然中奖了，出现智慧的大脑，然后又问为什么我在这儿，其实换句话说，不管出现在哪儿，我们都会问为什么我在这儿。所以多元宇宙讲人择原理，我对它很满意，因为我觉得它是最自然的，否则我很难给大家解释为什么把100多个零件放在沙漠上放1万年形成不了一块手表，因为我没有任何理论来解释这件事，因为机率太小了。
这个理论很快很容易被证明，如果科学家在火星上发现生命，我就被证明了，除非地球上生命和火星的生命有因果关系，那是另外一回事。
弦论的发展历程
最后回顾一下弦论的历史，弦论其实很简单，就是科学家拿一个更加基本的东西来代替很多不同的基本粒子。科学家发现，这个基本的东西，只有一个理论， M理论。但是后来各向前发展又很困难，发现弦景观真的有点像物种理论。
大家都知道，我们的物种向前追溯，可以追溯到最原始的一个单细胞，地球上所有的生命都是亲戚，只不过种类太多了。同样，不同的宇宙太多了，弦理论是一个非常美妙的理论，但也是非常令人头疼的理论，因为它的预言不确定，因为有太多不同的宇宙了。但是，我个人认为这是一项优点，它预言了多元宇宙，如果把人择原理用上，生命起源问题就不再是一个问题。
弦论是怎么来的？是物理学家凭空坐在屋子里制造出来的宫中楼阁吗？不是。在质子和中子里面都有三个夸克，这三个夸克怎么连在一起的？弦论物理学家认为它们中间通过交集形成一根弦，三根弦把它们绑在一起。电子是两个夸克，中间有一根弦把它们绑在一起。这是1960年代末物理学家们的发现，可以用弦论来解释，电子、质子和中子，而且解释得很好，所以它不是凭空构造出来的。
有两个人特别提到可以把弦论写出来，弦运动起来是一个面，要么就是个带子，要么就是一个圆柱体，我们可以把这个运动规律写出来。
到了关键的1980年代，有两位研究者提出十维时空理论，他们发现了两种弦，就给这个弦上色，有两种上色方法，是他们俩发现的。
1984年，超弦第一次革命，有研究者认为所有标准模型里的相互作用都可以通过弦论产生。与此同时，1984年到1985年的所谓的弦论第一次革命，把所有的五种弦都发现了。
1993年、1994年，有了D膜理论，通过D膜理论把Master理论挖掘出来，也就是M理论。D膜是什么？说白了就是认为在M理论里，除了弦存在以外，还会存在着不同维度的膜，比如像肥皂泡那种两维的膜，有两维的膜，甚至有三维的膜。解释九维空间或者十维空间时，我们把额外维变成一个很小的空间，这是一个方法，还有一个办法就是认为九维空间很开放，但是我们三维空间就是一个三维的膜，飘在九维空间里面，我们就相当于一个水上的水蜘蛛，这个水蜘蛛不生活在三维的水体里面，它只生活在水面上，我们像水蜘蛛一样只生活在这个三维的膜里面，这是一个膜宇宙。但是我不太相信膜宇宙是对的。
1997年，通过D膜的发现，又发现了一个非常奇妙的原理叫全息理论。全息原理说，有可能弦论还有另外一种写法，这种写法少了一维空间，比如我们这个三维空间在这儿，要描写一个人在那里运动，还有一种写法，只用两维空间来描写，这就是全息理论。全息是什么意思？我们看到宇宙在膨胀，我们会看到远处有一个最远的地方，当然这个最远的地方不严格。相当于我们站在在一个风平浪静的海面上，站在一个船上，我们向四周眺望，我们会看到海平面的尽头是个圆，再远的地方我们看不到了。
原因什么？因为地球是弯的，再远的地方就看不见了。同样，在一个膨胀的宇宙里面，我们会看到一个最远的地方，这个最远的地方大概有几百亿光年，如果全息理论是对的，那么我们就可以写出一个理论来，这个理论有可能比我们现在的理论简单，但它是在远处的屏幕上的一个理论，相当于我们这个宇宙是屏幕上的一个巨大的球形屏幕放出来的一个电影。这是1997年一个阿根廷物理学家发现的，一直到今天，有些理论还在活跃。
宇宙起源问题
我认为宇宙起源问题已经解决了，这个解决就是多元宇宙。如果弦论是对的，史前我们就存在的话，有可能就是宇宙中的一块空间，然后它突然由于不确定性原理长出一个新的宇宙出来。所以没有必要去解释史前到底是什么样的，但它有可能真的是一个笔记本电脑上长出来一个空间，也可能是史前的一个物理学家人为在实验室制造出来的宇宙，当然各种可能性都有。
因为是多元宇宙，所以我们不确定，只知道由于非常幸运，我们落在一个弦景观里面，在这个弦景观里面长出来我们这个宏观宇宙，正好有电子，这几种夸克，也有了这么多的暗物质和暗能量，让我们的宇宙进化成今天这个样子。如果我们宇宙需要有像我们地球这样的存在的话，恰好它的物质确实要有那么多。
暗能量是什么？我个人认为就是全息理论所带来的，如果全息理论是对的，它就是我们全息宇宙屏里上面的一点点样子与真空的，但这个时候我的理论叫全息能量理论。
所谓的宇宙有限，是我刚才说的意义上的有限，就是我们能看到最远的地方，就相当于回到在一个风平浪静的海平面上，我们站在一个船上向外眺望最远的地方。同样的话，宇宙学其实也是这样，因为地球是弯的，宇宙由于大爆炸，时间、空间是弯的，所以我们看到最远的地方，也就是离我们400亿光年，在400亿光年外，上面有个大屏幕，这个屏幕非常自然地解释了什么是暗能量。
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