弦理论本来是21世纪的物理学，却一不小心掉进了20世纪——维滕
高等研究院的威滕引领了物理学的潮流，就像毕加索引领了艺术的潮流一样。 数百名物理学家关注他的工作以了解他的开创性想法。
威滕出生于一个物理学家家庭。 他的父亲路易斯·威滕（Iouis）是辛辛那提大学物理学教授，也是爱因斯坦广义相对论的领先学术权威。 他的父亲说他对物理学最大的贡献是拥有了他的儿子。
威滕在普林斯顿大学读研究生物理学家分，然后在哈佛大学任教，28 岁时成为普林斯顿大学正教授。他的工作得出的成果深刻影响了数学界。 1990年，他被授予菲尔兹奖，即诺贝尔数学奖。
大多数时候，维滕呆呆地盯着窗外，在脑海里熟练地摆弄和调整着大量的方程。 他的妻子说，
他从来不计算，除非在他的头脑中，在我弄清楚我在做什么之前，我写了很多页的计算，但爱德华只是坐下来写一个减号，或者只是一个双倍。 。
维滕说，
大多数没有受过物理学教育的人可能会认为物理学家正在做非常复杂的计算问题，但这不是问题的关键。 关键点是物理学是概念的集合。 如果不理解这些概念，就无法理解世界是如何运作的。
威滕是超弦理论的大师，该理论统一了爱因斯坦的引力理论和量子理论。 然而，威滕对目前超弦理论的表达方式并不满意。 他决心解决超弦理论的起源之谜，这可能被证明是解释宇宙诞生时刻的决定性一步。 该理论的关键在于其独特的几何形状：弦只能沿地面以 10 维和 26 维振动。
什么是粒子？
弦理论的本质在于它解释了物质和时空的本质、木材和大理石的本质。 弦理论回答了一系列有关粒子的难题，例如为什么自然界中有如此多的粒子。 我们对亚原子粒子的性质研究得越深入，我们发现的粒子就越多。 目前，数百个亚原子粒子形成了一个巨大的“动物园”，具有无穷无尽的特性。 即使在标准模型中，“基本粒子”的数量也令人眼花缭乱。 弦理论回答了这个问题物理学家分，因为弦的大小约为质子的万亿分之一，它会振动，并且每种振动模式代表一种独特的共振或粒子。 弦非常非常小，因此从远处看，弦的共振与粒子无法区分。 只有当我们放大这个粒子时，我们才能看到它根本不是一个点，而是一根以某种模式振动的弦。
在这张图中，每个亚原子粒子都对应于以独特频率振动的独特共振。 共鸣思想在日常生活中很常见。 考虑一根以不同频率振动的小提琴弦，产生 A、B 和 C 等音符。留在弦上的所有振动模式在弦的末端消失，并且在弦之间有整数个波动。 原则上，一根弦可以以无限多个不同频率中的任何一个振动。 我们知道声音本身并不是最基本的东西。 音符 A 并不比音符 B 更基础。然而，更基础的是弦乐本身。 没有必要将每种声音与其他声音分开来研究。 通过了解琴弦如何振动，我们立即了解无数音调的属性。
同样，宇宙中的粒子本身也不是基本的。 电子并不比中微子更基本。 粒子看起来是基本的，只是因为我们的显微镜还没有强大到足以揭示它们的结构。 根据弦理论，如果我们能够放大一个点粒子，我们实际上会看到一根小的振动弦。 事实上，根据这个理论，物质只不过是由振动的弦产生的和声。 因为小提琴可以形成无限的和声，振动的琴弦可以形成无限的物质形态。 这解释了自然界中粒子的丰富性。 同样，物理定律可以比作弦乐的和声定律。 宇宙本身由无数振动的弦组成，可以比作一首交响乐（你是否突然爱上了音乐？）。
弦理论不仅解释了粒子的本质，也解释了空间和时间的本质。 当一根弦在空间和时间中移动时，它会完成一系列复杂的运动。 这根弦还可以分解成更小的弦，也可以与其他弦碰撞形成更长的弦。 关键是所有这些量子校正或环路图（将平面划分为离散区域的费曼图）都是有限且可计算的。 这是物理学史上第一个具有有限量子修正的量子引力理论。
之前的所有理论——包括爱因斯坦的原始理论、卡卢查-克莱因理论和超引力理论——都未能满足这一关键标准。
为了完成这些复杂的运动，弦必须遵守一大组自洽的条件，这些条件非常严格，以至于在空间和时间上设置了一些非常严格的条件。 换句话说，弦不能像点粒子那样在任何时空中自主传播。
当首次计算时空束缚弦的条件时，物理学家惊讶地发现爱因斯坦方程是从弦中产生的。 令人惊讶的是，在没有假设任何爱因斯坦方程的情况下，物理学家发现它们源自弦理论，这简直就是魔术。 爱因斯坦方程不再是基本方程，可以从弦理论中推导出来。
如果弦理论是正确的，它可能会揭示木材和大理石长期存在的秘密。 爱因斯坦推测，有一天，仅大理石就可以解释木材的所有特性。 对于爱因斯坦来说，木头是时空的扭结或振动。 然而，量子物理学家的想法恰恰相反。 他们认为大理石可以变成木头，即爱因斯坦的度量张量可以转换为引力子，引力子是承载重力的离散能量包。 这是两种截然相反的观点，一直被认为不可能在两者之间达成妥协。 然而，弦是木材和大理石之间“缺失的一环”。
弦理论不仅可以推导出可以视为在弦上共振的物质粒子，还可以通过要求弦在空间和时间上自洽运动来推导出爱因斯坦方程。 这样我们就有了包罗万象的质能和时空理论。
这些自洽的约束是非常严格的。 例如，它们禁止绳子在三个或四个维度上移动。 我们将看到这些自洽的条件迫使弦在特定的维度上移动。 事实上，弦理论允许的“幻数”是 10 维和 26 维。 幸运的是，在这些维度中定义的弦理论有足够的“空间”来统一所有的基本力。
因此，弦理论足以解释所有的基本自然定律。 从简单的振动弦理论出发，可以推导出爱因斯坦理论、卡卢查-克莱因理论、超引力、标准模型，甚至大统一理论。 这似乎是一个奇迹：从几个弦的纯粹几何讨论开始，我们可以重新推导出过去2000年物理学的所有进展。
此前，人们认为弦可能存在一些缺点，这些缺点会阻碍创建完全自洽的理论。 然而，1984年，两位物理学家施瓦茨和他的合作者格林证明了弦的所有自洽条件都可以满足。 这反过来又激发了年轻的物理学家急于解决这个理论。 到了 20 世纪 80 年代末，一场名副其实的“淘金热”开始在物理学家中兴起。 数百名世界上最优秀的理论物理学家试图解决这一理论，竞争变得异常激烈。
为什么是字符串？
为什么是字符串？ 为什么不是振动的固体或块体？
如果你对现有的物理学有非常深刻的理解，你也许能够看到，大自然就像巴赫或贝多芬的作品一样，往往以一个主题开始，然后围绕这个主题出现无数的变奏，而这些变奏遍布整个交响曲。 根据这个标准，看来字符串本质上并不是一个基本概念。
例如，轨道的概念在自然界中以各种变化形式出现。 自哥白尼的工作以来，轨道提供了基本主题，这些主题经常在自然界中以各种变化形式重复出现，从最大的星系到原子再到最小的亚原子粒子。 同样，法拉第场被证明是大自然最青睐的主题之一。 该场可以描述星系的磁场和引力效应，以及麦克斯韦的电磁理论、爱因斯坦和黎曼的度量理论以及标准模型中的杨-米尔斯场。 事实上，场论成为亚原子物理学的通用语言，也可能是宇宙的通用语言。 所有已知形式的物质和能量都已使用场论进行了描述。 此外，就像交响乐中的主题和变奏一样，模式是重复的。
但是字符串呢？ 字符串似乎并不是大自然在设计世界时所喜欢的模式。 在太空中，我们看不到弦。 事实上，我们在任何地方都看不到字符串。
然而，一个重要的想法将揭示，大自然为弦保留了特殊的作用，作为其他形式的基本组成部分。 例如，地球上生命的基本特征是绳状的DNA分子，它包含着生命本身的复杂信息和密码。 当谈到构建生命和亚原子物质的原材料时，弦似乎是完美的答案。 在这两种情况下，我们都希望将大量信息打包到一个相对简单且可复制的结构中。 字符串的显着特征是以可复制的方式高密度存储大量信息。
对于生物体，大自然使用双链 DNA 分子，双链 DNA 分子解开形成自己的副本。 我们的身体还含有数万亿条蛋白质链，它们由氨基酸构件组成。 从某种意义上说，我们的身体可以被认为是一根弦的集合。
弦乐四重奏
目前，弦理论最成功的版本是由普林斯顿物理学家格罗斯、马丁内斯、哈维和罗姆开发的，有时被称为普林斯顿弦乐四重奏。 四个人中最年长的是格罗斯。 在普林斯顿大学的大多数研讨会上，威滕可能会低声提出几个问题。 但格罗斯的声音很清晰。 任何参加过普林斯顿研讨会的人都会对格罗斯一连串尖锐的问题感到恐惧。 重要的是，他的问题常常击中要害。 格罗斯和他的合作者提出了他们所谓的异构字符串。 如今，正是这种不同于过去提出的各种卡卢查-克莱因型理论的异质弦，极有可能统一一切自然法则。
格罗斯认为弦理论解决了将木材变成大理石的问题。 “以几何方式构造物质本身 - 从某种意义上说，这就是弦理论试图解决的问题。人们可以认为这种方法，特别是在像异质弦这样的理论中，本质上是一种引力理论，其中物质粒子和其他自然力就像重力从几何中出现一样。
正如我们所强调的，弦理论最显着的特点是爱因斯坦的引力理论自动包含在其中。 事实上，引力子（引力粒子）表现为闭合弦的最小振动。 大统一理论尽量避免提及爱因斯坦的引力理论，但超弦理论却要求包含爱因斯坦的理论。 例如，如果我们将爱因斯坦的引力理论视为只是弦的振动，那么该理论就会变得不一致且毫无用处。 事实上，这就是维滕最初被弦理论所吸引的原因。 1982年，他读了施瓦茨写的一篇评论文章，惊讶地发现引力可以仅仅基于自洽性要求从超弦理论中出现。他回忆道：
我一生中最大的智力冲击。
“弦理论非常有吸引力，因为重力是强加给我们的，”威滕说。 “所有已知的一致弦理论都包括引力，虽然引力在我们所知的量子场论中是不可能的，但它在弦理论中是可能的。” 但这是必要的。
格罗斯坚信，如果爱因斯坦还活着，他一定会喜欢超弦理论。 爱因斯坦喜欢超弦理论的美丽和简单性，它最终源于其本质仍然未知的几何原理。 格罗斯断言，“即使不是对实现，至少对目标，爱因斯坦也会感到满意。他希望有一个潜在的几何原理，不幸的是，我们还没有真正理解这一原理。”
维滕甚至更进一步：
物理学中所有真正伟大的想法都是超弦理论的“衍生物”。
他的意思是，理论物理学的所有伟大进步都包含在超弦理论中。 他甚至认为爱因斯坦的广义相对论是在超弦理论之前发现的，并且是“地球上的偶然事件”。 他认为，在太空的某个地方，“宇宙中的其他文明”可能首先发现了超弦理论，然后导出了广义相对论作为超弦理论的副产品。
紧致美容
弦理论是物理学中很有前途的候选者之一，因为它给出了粒子物理学和广义相对论中发现的对称性的简单起源。
超引力既不可重整，也不能太小而无法适应标准模型的对称性。 因此，它不是自洽的，不能真实地描述已知粒子。 然而，弦理论两者兼而有之。 正如我们很快就会看到的，弦理论消除了量子引力中发现的无穷大，产生了量子引力的有限理论。 仅此一点就确保弦理论应该被视为宇宙理论的候选者。 然而，还有一个附带的好处。 当我们压缩弦的某些维度时，我们发现有“足够的空间”来容纳标准模型甚至大统一理论的对称性。
由闭合弦组成的异质弦有两种类型的振动：顺时针和逆时针，并且对它们的处理有所不同。 顺时针振动存在于 10 维空间中。 逆时针振动存在于 26 维空间中，其中 16 个已被压缩。
在卡鲁查最初的五维理论中，第五维是通过滚成一个圆圈来压缩的。
异质弦这个名字来源于这样一个事实：顺时针和逆时针振动存在于两个不同的维度，但它们结合起来产生一个单一的超弦理论。
16维紧空间非常有趣。 在卡卢查-克莱因理论中，紧致的 N 维空间可以伴随着对称性，就像漂浮的水气球一样。 然后，在 N 维空间中定义的所有振动（或场）都会自动继承这些对称性。 如果对称性为 SU(N)，则该空间上的所有振动都必须服从 SU(N) 对称性。 这样，卡卢查-克莱因理论就可以适应标准模型的对称性。 然而，也以这种方式确定超引力“太小”，无法容纳标准模型中发现的各种对称性的所有粒子。 这足以扼杀超引力理论作为物质和时空现实的理论。
但普林斯顿弦乐四重奏分析了这个16维空间的对称性后，发现这是一个异常大的对称性，称为E(8)×E(8)。 这种对称性比任何曾经尝试过的对称性都要大。 任何大统一理论的对称性都要大得多。 这意味着弦的所有振动都继承了 16 维空间的对称性，这足以容纳标准模型的对称性。
物理定律在更高维度中变得更加简单。
在这种情况下，异质弦逆时针振动的26维空间有足够的空间来解释爱因斯坦理论和量子理论中的所有对称性。 因此，纯几何第一次给出了为什么亚原子世界必须表现出从卷曲的高维空间中出现的某些对称性的简单解释：亚原子王国的对称性只是高维空间残余的对称性。
这意味着大自然的美丽和对称最终可以追溯到更高维度的空间。 例如，雪花会产生美丽的六边形图案，但没有一个是完全相同的。 这些雪花和晶体又继承了其分子几何排列的结构。 这种排列主要是由分子的电子壳层决定的，这让我们回到了量子理论的旋转对称性，表示为O(3)对称性。 我们在化学元素中观察到的低能宇宙的所有对称性都是由于标准模型划分的对称性所致，而标准模型可以通过压缩杂变弦来导出。
简而言之，我们周围看到的对称性，从彩虹到盛开的花朵，再到各种晶体，最终都可以被视为原始10维理论碎片的表现。 黎曼和爱因斯坦想要找到一种几何理解，来解释为什么力决定物质的运动和性质。 然而，他们失去了证明木材和大理石之间关系的关键要素。 这个缺失的环节很可能就是超弦理论。 利用 10 维弦理论，我们发现弦几何形状可能最终决定物质的力和结构。
