关于宇宙，弦理论又能告诉我们些什么呢？

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近一个世纪以来，科学家已经知道，物质是由原子构成的，而原子又是由电子、质子和中子以多样的方式组合而成的。20世纪60年代，物理学家发现了物质更深一层的结构，质子和中子由古怪的粒子——夸克——构成。现在已经知道了6种夸克， 它们（成双或成三）的组合可以解释宇宙中所有质量较大的粒子——质子、中子——以及在实验中冒出来的许多其他另类粒子（例如胶子和玻色子）。

这是我们对宇宙中物质的基本认识，但粒子之间是如何相互作用的呢？从20世纪30年代至今，物理学家研究了描述宇宙中四种基本作用力——引力、电磁力、弱核力和强核力——的细致数学模型。我们可以把它们中的每一种都看成是作用于空间中的场。更有意思的是，这四种基本“力场”可以通过交换粒子来构建：光子传递了电磁力；8种不同的胶子传递了强核力，使得夸克被束缚在质子内部；3种中间矢量玻色子传递了弱核力，后者控制着放射性过程；一些物理学家相信，引力子传递了引力，但它们迄今还未被发现。

在这一标准模型中，科学家通过这些各式各样的详细数学理论将对物质和力的描述集为一体。当物理学家试图预言在他们昂贵的粒子对撞机中会发生什么的时候，它构成了计算的支柱。不管是设计新的技术，还是开展新的实验，乃至研究黑洞的特性，他们都会从久经考验的标准模型的数学方程开始。

标准模型漂亮而简单，但它看上去似乎并不完整。科学家可以把这些作用力中的两种——电磁力和弱核力——统一进一个数学理论，还可以在大统一理论下把强核力也纳入其中。然而，引力倔强地游离在它们之外，因此，物理学家需要用两种迥异的方式来描述大自然中四种力的作用。如果只用一种方式来描述岂不是更好？这正是对终极理论的探求，超弦理论是目前最有希望成功的理论。那么，物理学家为什么必须通过弦理论来修补标准模型呢？关于宇宙，弦理论能告诉我们些什么？

进入深处

在过去的70多年中，为了实现大统一，科学家已提出了许多理论方案，但这些理论中的大多数都存在严重的数学问题。例如，有时计算得到的概率会是负值或者超过100%。根据其中一个模型，计算发现存在超光速运动的粒子，科学家将其称为快子。

但是，从20世纪80年代初开始，有一个有趣的方案受到了众多物理学家的追捧。

根据标准模型，粒子都是点状的。也就是说，无论科学家怎么想办法探测一个粒子的内部结构，他们得到的都不过是一个更小的能量“点”，它呈现出这个粒子的所有特性：质量、电荷和自旋。这会引发严重的数学问题。想象一下，把一个电子的质量和能量挤压进一个越来越小的球体内，最终，它会变成空间中一个无穷小的点，此时，它的质量和能量密度则会变得无穷大。这个无穷大会使得任何涉及质量和能量密度的计算都变得不可行。因此，大约在30年前，物理学家提出了一个解决办法，用不会消失的其他构形来代替粒子的内部形状，例如闭合的能量环，即弦。

基本的想法是，每一个物质粒子（电子、夸克、中微子等）以及每一个传递相互作用的粒子（光子、胶子、中间矢量玻色子和引力子）其实都是某种微小的一维环。它可以是开放的，有两个端点，也可以是闭合的，构成一个环。当这个一维弦环随时间运动时，它会扫过一个二维的表面。它还可以分裂成两个不同的弦环，构成两个闭合的表面。这些表面被称为世界面。一根弦分裂成两根，则对应于一个粒子衰变成两个。把这个过程反过来，两根弦变成一根则对应于两个粒子的碰撞和并合。这些环也能向琴弦那样振动，其振动的精确方式决定了它所代表的基本粒子的确切特性。对应于大质量粒子的弦振动的频率较高，反之亦然。

那么这些弦看上去像什么呢？先问个问题，你最近一次碰到一维的东西是什么时候？其实我们从来就没有看到过这样的东西，更不要提它们是什么样子了，比如颜色、质量、大小，等等。我们试图描述的弦的每一个特性都植根于我们的三维经验。于是，一个基本的问题是，这样一个物理实体具有的特性是否超出了我们的经验？幸运的是，这在数学上根本不是问题。这也正是物理学家可以精确处理一维弦的原因。

此外，科学家知道，类似电子这样的粒子并不仅仅是一个有着表面的微小球体。事实上，它们是有着特定属性的无穷小的能量结点。对人类的思想而言，一大挑战是去想象基本粒子的真正本质——无论是一个能量点还是一根弦。

探索不同的维度

把这些弦和普通粒子及其特性相连的数学描述只有在十维的宇宙中才奏效，这让事情变得更为诡异。我们所处的普通宇宙由三维空间和一维时间构成，因此，弦理论的数学要求再增加6个额外的维度，同时，它们自身还要完全闭合且具有10-33厘米的有限大小。

拿一张二维的纸，将它紧紧地团起来。把它塞进一个乒乓球，然后把这个球压缩到直径只有10-33厘米——一些科学家认为，那6个维度就隐藏在这个物体中。在三维空间中的每一个点上重复这个过程，弦理论认为，你每这样做一次就会得到一个不同类型的宇宙。这些紧致维度的确切几何特性决定了在这个宇宙中到底会拥有什么样的粒子以及它们的特有属性。

一个三维球具有特定的几何特性，使得粒子在其表面能以特定的方式运动。类似的，通过这些紧致维度的空间来控制弦的振动（及其所对应的粒子），形成了弦的张力和几何特性。在这个紧致的空间中，每一种粒子都具有特定的由6个数字构成的地址，这就好像巴黎在地球二维表面上有其唯一的经度和纬度一样。

毫无疑问，要画出这样的一个六维实体是很困难的。就算可以，我们也会为穷尽其所有特性而疲于奔命。在弦理论中，这样的空间据估计有10500个，每一个都代表一个有着不同粒子和场的数学宇宙。这些空间中，有一些里面不存在电子，有一些里面则可以有12种不同的夸克，却没有光子，在这样的空间里就不会有彩虹。

且慢，不止这些

如果我们得到的只是一个有关粒子看上去是什么样子——在空间中震动的环而非点——的新模型，那我们还没有简化或者统一标准模型。要解释我们已知的事物，还需要更为复杂的数学。弦理论还具有第二个特性，即超对称。正如任何一个学过几何的学生都知

道的，对称性往往会使求解问题变得更为简单。

由于立方体本身的对称性，在三维空间中每转90度就能看到它新的一面，但是立方体的形状仍保持不变。科学家称其为旋转对称性。 在20世纪70年代初，物理学家发现标准模型中的粒子也能在超对称下彼此转化。这一镜像牵涉到量子力学和粒子的一种内禀属性，被称为自旋。这个理论最吸引人的是，作为已知粒子类型间超对称转换的结果，它可以自动地包含引力——终于，有一个理论可以自然地容纳所有四种基本作用力了。

然而，大自然永远都不会无中生有，因此科学家不得不添加新的成分，使得超对称的数学描述奏效。此时，标准模型中的每一种粒子都会被赋予一个新的超伙伴粒子，这样才能使粒子间的变换在数学上可行。通过用这种方式拓展标准模型，科学家现在拥有了最小超对称标准模型（MSSM）。这个模型不仅可以解决标准模型存在的许多问题，还为占据宇宙物质总量8 5%的神秘物质——暗物质——提供了一种新的候选粒子。标准模型无法解释这些看不见的物质，但MSSM 中质量最小的中性微子却具备了解释暗物质所需的合适特性。

一起尝试

20世纪80年代初，物理学家把超对称引入弦理论，形成了超弦理论。 他们提出了5种不同类型的超弦理论，每一种都能以各自的方式解释物理世界。之后在1995年， 物理学家意识到，这5个理论其实是一回事，他们将其称为M理论。

这些理论彼此相连的方式可以用涉及改变长度的数学运算来精确描述，即对偶变换。一个与之类似且我们也更熟悉的例子是三维立方体的二维投影。一个三维立方体的真正形状可以从其不同的二维投影中重建出来。通过在三维空间中转动立方体，其每一个二维投影面都能变换成其他的样子。你可以把十一维M 理论立方体的每一面想象成一个不同的十维超弦理论。十一维M 理论的详细数学描述告诉科学家如何在十维超弦理论间进行变换。

迄今的证据

一些物理学家把MSSM 视为在不添加大量假设的前提下超越标准模型的最简单途径，而且它还预言了世界上最强大的粒子加速器——欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）——可检测的新现象。科学家正在筛查数据，搜寻已知粒子的超伙伴粒子的踪迹，其中一些最轻的质量为几万亿电子伏特，在LHC可检测的范围之内。如果科学家什么也没找到，那么他们就需要用更复杂的模型来取代MSSM，这些超伙伴粒子会具有更高的能量。那么，目前这些搜寻进展到哪一步了呢？毕竟LHC 已经工作超过2年了。

好消息是，标准模型得到了很好的验证。2012年7月，物理学家宣布他们发现了一种

粒子，它看上去就像是已经被寻找了40多年、标准模型中最后一个尚未被发现的粒子——

希格斯玻色子。

然而，2011年8月和2012 年11月接连传来了坏消息，LHC的一组物理学家报告，他们

对特殊粒子B 介子衰变的研究并没有发现超对称的迹象。在超对称的帮助下，这些粒子衰

变的速度应该快得多，但科学家在研究的几万亿次衰变事件中没有发现这一现象。

另一个坏消息是，在7万亿电子伏特的能标之下，科学家没有找到任何有超对称粒子存在的证据。这被认为是最简单的超对称模型（尤其是MSSM）的重大失败。超对称是科学家用来统一四种基本作用力的最简单的数学模型，而大自然似乎也偏向于用更基本的理论来解释我们这个世界。如果MSSM被证否了，那大自然着实大大地戏耍了一把地球上的科学

家。

2013年年初，LHC 被关闭，2015年重启，开始完全在设计要求的13万亿电子伏特的对撞能量下运转。物理学家已经开始研究各种各样的理论来预言最轻的超对称粒子。计算发现，有几十种新的粒子散布于LHC 完全满负荷运转后可及的范围之内，因此，一些乐观者

感觉此事十拿九稳。

这一赌注其实极端高昂：如果超对称粒子被找到，那么发现之路就会为超越MSSM 的

超弦理论打开；如果科学家仍然没有在LHC 中发现超对称粒子存在的证据，那么最简单的

MSSM 必然会被否定，而超弦理论也断然不会被视为终极理论的最佳候选。这将是一大憾

事。

弦理论对粒子的描述为描述新的粒子和现象提供了富庶的框架，拓展了人类对空间和

时间的认识。然而，其缺点是，这些粒子中绝大多数的质量都超出了LHC 可探测的能标。这也是其最大的问题。

绝大多数科学家认为，在全世界多个国家花费数十亿美元建造了LHC，旨在发现“新物理学”，却什么也没发现之后，将很难筹集更多的资金来建造更强大的、能标超过13万亿电子伏特的对撞机。如果LHC 没有发现新物理学或者新粒子的迹象，那么这一负面结果将迫使物理学家做出一个极端困难的抉择：要么发明出一种全新且低廉的技术来把粒子加速到更高的能量，要么在没有可用来检验大量理论的数据的情况下苦思几十年。因此，加速器物理学未来几年的进展也许会对超弦理论做出裁决。