几十年来，物理学家一直梦想着能发展出可解释一切的“万有理论”。然而，要想成为万有理论并非一件易事。目前，弦理论，或者说将弦理论的五个版本统一起来的M理论，成为“万有理论”的主要候选者。在缺乏实验性证据的情况下，为何M理论会优先于其他理论？
撰文 | Natalie Wolchover
编译 | 二宗主
万有理论肩负着一个非常艰巨的工作，那就是需要将引力纳入到自然界的量子定律之中，并且使引力在大尺度上表现的像弯曲的时空一样——正如爱因斯坦所描述的那样。不知何故，时空曲率会以引力能量的量子化的单位——引力子——的集体效应出现。但是，当我们简单地尝试计算引力子间的相互作用时，会导致结果中出现许多荒谬无意义的无穷大，这预示着引力还需被更深入地了解。
爱因斯坦的广义相对论将引力和弯曲的时空联系了起来。| 图片来源：1ucasvb
弦理论，或更严格的说是M理论，经常被认为是万有理论的主要候选者。但是到目前为止并没有能证实弦理论的实验性证据，也没有其它的理论能够很好的描述引力该如何与其他基本力相结合。那么，为何弦理论（M理论）会优于其他理论呢？
弦理论中最著名的假设是，引力子以及电子、光子和其他一切粒子都不是点状粒子，而是不可感知的微小能量带（或者我们可以称之为“弦”）以不同的方式进行振动。就好比小提琴的琴弦若以不同方式振动，可奏出不同音高一般，基本粒子也是通过弦的不同振动状态而形成的。在20世纪80年代中期，对弦理论的关注得到前所未有的飙升，当时物理学家发现它对量子引力给出了在数学上一致的描述。但弦理论的五个已知版本都是“微扰”的，意味着它们在某些条件下会失效。理论物理学家可以计算出两个弦引力子在高能状态下碰撞会发生什么，但不能在引力子汇集到足以形成黑洞的情况下也进行这样的计算。
M理论将弦理论的五个版本（以及超引力）统一到一个单一的数学结构中。看起来，
它们都像是在不同的物理条件下的理论。| 图片来源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
时间辗转到1995年的国际弦理论会议上，大名鼎鼎的物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）发现了所有弦理论都有着同一根源。他发现了种种表明微扰弦理论可以合成为一个相干的非微扰理论的迹象，他称其为M理论。M理论看起来像是在不同物理条件下的不同弦理论，但它本身在有效性范围上并没有什么限制，这是万物理论需具备的一个重要前提。加州理工学院的理论物理学家 David Simmons-Duffin 解释说：“威滕可以在没有写下M理论的方程式的情况下做出这些论证，是十分令人钦佩的，但同时这也留下了许多未被解答的问题。”
另一项重大研究进展爆发于两年之后的1997年，物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）发现了AdS / CFT对偶：将一个叫作反德西特（anti-de Sitter, AdS）空间的时空区域内的引力，与围绕着该区域边界运动的粒子的量子描述（共形场论，Conformal Field Theory，CFT）连接在一起。他的发现把弦论和物理学家已经研究得相当透彻的量子场论联系起来，令所有弦论研究者兴奋不已。用他自己的话说，这个理论意味着“你可以在瓶子中创造一个宇宙”。（关于马尔达西那和AdS/CFT对偶的更详细讨论：《他是最接近终极理论的人，被称为当今爱因斯坦》）
AdS / CFT为用于AdS时空几何的特殊情况下的M理论提供了一个完整的定义，这些特定情况下的负能量使得时空以与宇宙不同的方式弯曲。对于这样一个假想世界，物理学家可以描述在所有能量下发生的过程，理论上说，甚至还包括黑洞的形成和蒸发。在过去的20年中，超过16000多篇文献引用了马尔达西那的论文，这些论文的主要目标是为了更好地理解AdS / CFT和量子引力。
这一连串的发现致使大部分物理学家都将M理论列为万有理论的优先候选，尽管它在这个宇宙中的确切定义仍是未知的。而理论是否正确则又是另一个完全独立的问题了。理论所假想的“弦”，以及这些可供这些弦来回摆动其中的额外的、卷曲的空间维度，比实验（如大型强子对撞机LHC）的可观测尺寸小1亿亿（10^16）倍。还有一些如宇宙弦和超对称等可能被证实的理论的宏观特征，仍然没有出现。
证据的尽头：人类可以一个宽泛的尺度上（白色区域）探测宇宙，
但是现代物理学理论所考虑的许多尺度已经超出这个范围之外（灰色）。
| 图片来源：Tynan DeBold/Quanta Magazine
同时，其他万有理论的候选也存在着各种各样的问题，而且还没有哪个其他理论能做到重复弦理论所描述的数学一致性，如引力子间的散射计算。（按 Simmons-Duffin 的说法，还没有任何一个弦理论的竞争者能够完成这个计算的第一步，也就是第一个“量子修正”。）也有哲学观点认为，弦理论作为唯一已知的一致理论的现状，就是该理论是正确的证据。
与之竞争的理论包括渐近安全引力、E8理论、非交换几何、以及因果费米子体系等，都远远落后于弦理论。例如，渐近安全引力建议，引力的强度可能随着尺度的变小而发生变化，从而解决计算中出现的无穷大问题。但目前还没有人知道如何让这一技巧得到运用。
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/why-is-m-theory-the-leading-candidate-for-theory-of-everything-20171218/
本文转载自公众号“原理”（ID：principle1687）
发表于 2017-12-26 04:02
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