超引力、超弦和M理论

目前，我们主要依靠两个理论来描述我们的宇宙：广义相对论和粒子物理学的标准模型。广义相对论通过弯曲的时空来描述引力，而标准模型则使用量子场来描述其他三种基本相互作用，其中场的激发可以被视为粒子。这两个理论有点相似，都采用了场的概念——广义相对论的时空曲率场和标准模型的量子场。

然而，这两个理论在本质上是不同的。广义相对论是一种经典理论，它预测系统会随着时间的推移进行确定性的演化。相反，标准模型是基于量子理论的，它的核心是叠加原理和概率解释。因此，这两种理论在宏观和微观层面上描述了两个截然不同的宇宙。

尽管广义相对论为我们的宇宙提供了一个出色的宏观描述，但我们现在必须考虑量子物理现象。这不是一个问题，我们可以将时空曲率的扰动描述为量子场，并将其波动解释为引力子——引力的量子载体，这种方法为引力的量子行为提供了一个框架。但是当我们进入到非常小的尺度上时，量子引力不再在这个基本尺度上起作用，引力似乎与量子世界不相容。

物理学家正在努力协调广义相对论和量子理论，以理解引力在这些极小尺度下的行为。这需要我们深入理论物理的抽象领域，寻找一个能够统一这两个理论的有前途的新框架。

在20世纪70年代，物理学家开始对一种名为超引力的理论产生了浓厚的兴趣。我们的时空在数学上展现出四种基本对称性：平移、旋转、反射和时间对称性，这些对称性在广义相对论中得到了体现。然而，理论物理学家提出了一种新的假设对称性——超对称性。当考虑到超对称性时，我们得到了超引力理论。

超引力与相对论非常相似，时空可以弯曲产生有趣的结构，甚至可以在没有形成黑洞的情况下产生奇点。此外，物理学家还探索了在具有额外维度的高维宇宙中超引力的可能性。这导致了对具有额外空间维度的黑洞的一般化研究，这些额外维度构成了被称为“膜”的扩展物体，它们可以拥有质量和电荷。

尽管超引力理论在某些方面是超对称的，但当我们探索接近普朗克长度的尺度时，该理论仍然会崩溃。在1980年代，物理学家提出了一种革命性的新理论，这个理论假设宇宙中的所有基本粒子实际上都是由微小的振动能量带——即“弦”——组成的。因为它也利用了超对称的概念，所以我们称之为超弦理论。

在超弦理论中，弦通过相互作用、合并或分裂来展现其多样性。类似于吉他弦的振动产生不同的音符，在宏观尺度上，这些弦的振动模式表现为我们所熟知的粒子。最令人兴奋的发现是，超弦理论中的一种振动模式与引力子的行为完全一致，这是第一次有理论允许我们以基本方式描述量子引力。

超弦理论很有前景，但它对宇宙施加了一些限制：时空不是四个维度，而是十个维度，还有六个我们尚未检测到的附加空间维度。这个理论还进一步细化了可研究的弦的类型，包括开放弦和闭弦，后者能够自行卷曲形成环状结构。在这些前提下，研究人员发现，超弦理论实际上只允许五种不同的理论模型存在。

如果我们希望用超弦来描述我们的宇宙，这五个模型是唯一的选择，那么这五个模型中的哪一个版本真正描述了我们的宇宙？让我们暂时把这个问题放在一边，回到超引力。人们可能会认为超弦理论和超引力是两个完全独立的模型，但实际上它们在大尺度上有一个密切的联系，两者都描述了一个具有引力的超对称宇宙。事实上，当应用于具有 10 维的宇宙时，超引力被证明是超弦理论的近似，这也意味着超引力的膜也存在于超弦的世界中。

超引力理论的另一个引人注目的特点是它可以容纳多达11个维度，比超弦理论多出一个维度。在这个11维的超引力模型中，宇宙的所有常数都是由数学确定的。与超弦理论的五种可能选择不同，超引力提出了一种新的独立理论，至少可以近似地用11维描述世界。

所以到1990年代初，我们就有了六个可能的数学模型来描述宇宙，其中的五个来自上面提到的10维超弦理论，而剩下的一个来自11维超引力。在这一时期，一些研究人员，尤其是爱德华·威滕，开始揭示这些理论之间存在着微妙而复杂的对偶性网络。

这些对偶性不仅将各个模型联系起来，还允许理论之间的转换，使得在一个模型中难以处理的计算可以转换为另一个模型中的简化版本。这些对偶性的发现极大地丰富了我们对宇宙的认识，使得先前难以理解的物理现象得以研究。大量的研究也导致了AdS/CFT对应关系的发现，根据该对应关系，某些宇宙可以被描述为它们的全息图。

1995年，威滕提出了一个激动人心的设想：存在一个统一的基本理论，这个理论被他称为M理论，它可能是上述六个模型的更深层次的表述。M理论预测了一个包含膜的11维超对称宇宙，这个理论的复杂性与其他试图统一引力的理论一样，至今仍然是物理学中的一个巨大挑战。虽然M理论尚未得到实验证据的直接支持，但它提供了一个框架，允许宇宙具有多种不同的时空和几何形状。目前，物理学家仍在探索哪一种配置最能描述我们所在的宇宙，这一探索可能会揭示宇宙最根本的秘密。