互动科普

从20世纪80年代开始，众多的物理学家开始研究超弦理论，至今仍未完成。这个理论认为，组成自然界（宇宙）所有物体的“最小零件”就是“弦”。无论是人体，或是电视机这样的人造品，还是太阳之类的天体，所有的物体都是由无数个弦组成的。

正是这个原因，它也被俗称为“万有理论”。如果超弦理论是对的，那么自然界中的所有现象，无非是由无数根弦的碰撞、粘合、展开等造成的。

自然界的最小零件“弦”?

如图中所示：包括人体在内的所有物质都是由原子和分子组成的。原子和分子是由电子和夸克（上夸克和下夸克）等基本粒子组成的。超弦理论认为，基本粒子放大以后会表现为极小的弦。基本粒子的性质之所以不同，就是因为弦的振动方式不同。

不同种类的“基本粒子”都是同一种弦？

在现代物理学中，自然界中的最小零件被称为“基本粒子”，所有基本粒子都被认为是一些没有大小的“点”。已经知道的基本粒子大约有20种，其中大家比较熟悉的，包括形成电流的“电子”、形成光的“光子”、形成原子核的夸克等。此外，估计还有很多尚未被发现的基本粒子。

自然科学的一大理想，可以说就是“用尽可能少的要素解释尽可能多的现象”。如此看来，基本粒子作为“最小的零件”，它的种类似乎也太多了。实际上，持此观点的物理学家不在少数。

而根据超弦理论，无论是何种基本粒子，被放大之后都会表现为相同的弦。这里所谓的“弦”是指只有长度而没有宽度的物体。不同的基本粒子，对应着弦的不同的摇摆方式（振动方式）。打个比方说，在小提琴等弦乐器中，改变弦的振动方式后，就能产生不同的音色。在超弦理论中，由于弦的振动尺度太小以至于看不见，所以我们才会看似存在着多种不同种类的基本粒子。

超弦理论是统一量子论和相对论的理论

超弦理论统一了现代物理学的两大基础理论，也是终极理论的候选者。这两大理论正是量子论和相对论。

只用相对论无法解释微观世界

量子论是用来解释微观世界的理论。要想知道电子、光子等基本粒子如何运动、与什么样的力发生相互作用，就必须要用到量子论。另一方面，所谓的“广义相对论”是一门引力理论，太阳系内的行星在太阳的引力场中进行公转时，其轨道就能用广义相对论进行精确的预言。

但是，广义相对论的适用范围是类似天体这样宏大尺度的引力现象，而超弦理论能够处理比原子核尺度还要小得多的微观世界的现象。相比之下，广义相对论却无法用于这么小的微观世界里的引力问题上。

此外，尽管有必要知道如何基于量子论来处理微观世界的引力问题，但目前物理学家们还没有找到成功的解决办法。好在原子和基本粒子问题中的引力作用非常微弱，可以不去管它，这样做到现在也还没有出现什么大的问题。

超弦理论是用来处理微观世界的引力效应的

在极端微小的微观世界中，基于量子理论的引力作用还不知道怎么处理。也就是说，有必要找到一种能够统一量子论的广义相对论的理论，而其中一个非常有竞争力的候选者，就是超弦理论。

即便是在微观世界里，大量的物质致密地聚集在非常小的空间时，引力也会变得重要起来，一个典型的例子就是宇宙诞生的瞬间。现在已知宇宙处于不停的膨胀过程中，也就是说，如果我们把时间反演的话，宇宙就是渐渐变小，所有的物质也都会被压进一个极其微小的空间里。

围绕宇宙的创生问题，人们提出了各种各样的假说，比如“宇宙生于虚无”、“宇宙反复地经历诞生和死亡”等等，但都不能给出详细的解释。如果超弦理论完成了的话，我们将更加接近宇宙诞生之谜的答案。

宇宙的创生之谜也要由超弦理论来解开!？

上图为从宇宙诞生后不断膨胀的宇宙的图像，因为不能画出宇宙的所有部分，所以只画了宇宙中的一个球体的部分。如果超弦理论能够完成，说不定也能解开“宇宙是如何诞生的”的问题。

（本文发表于《科学世界》2013年第3期）