從“弦”到“膜”——淺析弦理論和M理論出現的動因

弦理論的起源最早可以追溯到20世紀60年代末，但那時的物理學界對早期的弦理論幾乎置若罔聞，大部分人對它並不感興趣。尤其在20世紀70年代，粒子物理學如日中天，“粒子”的概念深入人心，人們發現構成物質的“粒子”還可以再細分，粒子實際上是由被稱為“夸克”的基本實體的各種組合構成的，物理學家似乎並不需要“弦”。所以弦理論剛一面世就面臨著消亡的結局，除了少數幾個死硬派物理學家繼續在鍥而不捨研究它，可以說那是一段孤軍奮戰的艱難時期。

從20世紀80年代開始，更多的物理學家開始重視弦理論。這是因為雖然粒子物理學看上去很成功，但在粒子物理學標準模型中有一個令人尷尬的特徵，如果“粒子”實際上是以數學中“點”的形式存在的，而其所佔的空間大小為零的話（即零維），這個理論就會被討厭的“無窮大”所困擾。舉個簡單的例子，回想一下電力的平方反比定律，即兩個帶電粒子間的力與它們之間的距離的平方成反比。如果一個帶電粒子的體積為零，那麼作用在粒子自身的力將是無窮大。

對於涉及無窮大的理論，物理學家常常並不滿意。粒子物理學描述的是微觀世界，而用以描述宏觀世界的廣義相對論也面臨這同樣的問題，那就是“奇點”問題，“奇點”實際上也意味著無窮大，而在奇點處，廣義相對論將失效。我們現在知道，這兩個理論在最根本的層面上構成了我們對宇宙的所有物理學知識的總和，這是無可否認的事實。所以，物理學家們需要一個更好的理論，既能夠將量子理論和廣義相對論同時囊括進去，又能消除無窮大問題和奇點問題。

而弦理論確實做到了。但並不是說弦理論就是完美的，它依然存在一些暫時無法解決的問題，比如說無法透過實驗直接驗證。另外，它還存在最讓人擔憂的一面，這就是該理論沒有獨特的版本。這是為什麼呢？確切地講，到了20世紀90年代末，理論物理學家已經提出了五個不同版本的弦理論，外加一個“超引力理論”。其中每一個都具有數學意義，看起來都像是“萬物理論”合適的候選者，都包括六個被緊緻化的維度和我們所熟悉的四維時空，更重要的是，它們都包含了量子理論和廣義相對論，而且都消除了無窮大問題和奇點問題，所以人們稱它們為“量子引力理論”。

物理學的困惑

［美］斯莫林

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但這只是一個小小的安慰，出現過多的弦理論一樣令物理學家們為難，而理想的情況是，其中一個候選理論會比其他幾個更為出色，但物理學家們卻無法做出正確的選擇。在這關鍵的時候，1995年，愛德華·威騰於普林斯頓得出了相反的結論，他說，這些理論（包含五個版本的弦理論和超引力理論）不分伯仲，因為它們都是相同事物的一部分。他展示了將這六個理論模型中的一個轉化為另一個的方法，這就意味著，這六個理論其實都是某個基本理論的不同方面。就好比電力和磁力看起來像兩種不同的力，但實際上它們都是電磁的不同方面，道理是一樣的。

威騰得出的結論對弦理論產生了深遠的影響，他將這個能夠包含五個版本的弦理論和超引力理論的基本理論稱為“M理論”，它需要有十一個維度。在M理論中，“弦”的概念被轉化為“膜”的概念，那麼，“膜”是什麼意思呢？嚴格來說，膜，是一個二維的片，在數學語言中，一個點是0-膜，一條線是1-膜，一個片是2-膜，維度再往上是3-膜、4-膜等等，它們一般用“p-膜”表示，其中的p可以是任何數字。威騰認為，是一種特別簡單的“緊緻化”，使膜看起來像弦。但有意思的是，威騰從來未提及M理論中“M”到底代表什麼，但許多物理學家樂於將這個“M”看作是“膜”的縮寫。

其實關於弦理論和M理論，要說的絕不僅僅是這麼多，這篇文章僅是簡單梳理一下量子理論、廣義相對論和絃理論、M理論之間的關係，以及後兩個理論出現的動因。一篇短文難免有諸多不足之處，還請多多包涵，不喜勿噴，小編在這裡謝謝大家！