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天地四方謂之宇，古往今來曰為宙，宇宙便是我們時(shí)常所說的時(shí)間空間，宇宙中的萬事萬物在時(shí)空中生生息息，幻起幻滅。當(dāng)我們仰望蒼穹，凝視宇宙的時(shí)候，我們不禁會(huì)陷入沉思：宇宙到底是什么？到底由什么構(gòu)成的？它看起來為什么如此寧靜安詳？但宇宙卻把它這些神秘規(guī)律深深掩埋在黑暗中。

經(jīng)過一代代人的努力，終于由牛頓帶來了普羅米修斯火種, 即萬有引力定律，在黑暗中點(diǎn)亮了一絲曙光，宇宙的一個(gè)大秘密被挖掘出來了。他指出我們的時(shí)空是平直的，穩(wěn)恒不變的，宇宙中的一切物質(zhì)都在這樣的時(shí)空背景，并在萬有引力的牽引下運(yùn)動(dòng)。

這樣的時(shí)空觀一直持續(xù)了兩百多年，直到上世紀(jì)初才被我打破。1905，1915年，愛因斯坦分別創(chuàng)立了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，指出時(shí)空并非平直，穩(wěn)恒不變，在不同的參考系下，時(shí)間間隔和空間間隔是不同的，時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)是由物質(zhì)決定。這一開天辟地的想法觸及到宇宙最深層的一個(gè)秘密：時(shí)間空間也許不再基本，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)可以被物理決定。這又引出了另一基本問題：既然時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)可以由物理決定，那時(shí)空的維數(shù)可不可以由物理來決定？我們的時(shí)空為什么是4維的, 即3維空間加1維時(shí)間? 廣義相對(duì)論沒法回答這個(gè)問題，因?yàn)閺V義相對(duì)論在任何維數(shù)下都成立，沒法決定時(shí)空的維數(shù)。在創(chuàng)立相對(duì)論之后幾十年里，都沒有物理理論去觸及這些問題，直到超弦理論的誕生。

    超弦理論是一種量子引力理論。當(dāng)量子力學(xué)跟狹義相對(duì)論結(jié)合后，便得到了量子場論，通過量子場論，我們可以把引力之外的其他三種力，即電磁力，強(qiáng)作用力，弱作用力都量子化。當(dāng)我們用量子場論試圖把引力也量子化時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了不可消除的發(fā)散問題（其他3 種力量子化時(shí)，也有發(fā)散問題，但可消除），出現(xiàn)不可消除的發(fā)散就意味著理論不穩(wěn)定，不自恰。第一波尋找量子引力理論的努力宣告失敗。

    1968年出現(xiàn)了一種叫弦理論的物理理論，它的出現(xiàn)當(dāng)時(shí)只是為了去解釋一些強(qiáng)子對(duì)撞碰到的現(xiàn)象，被當(dāng)作一種強(qiáng)相互作用理論去看待。但這個(gè)理論有幾個(gè)非常奇異的結(jié)果：時(shí)空有26維，出現(xiàn)質(zhì)量為負(fù)數(shù)的粒子，出現(xiàn)了自璇為2 的無質(zhì)量粒子。這三個(gè)結(jié)果都直接跟試驗(yàn)矛盾。因此這理論沒多少人關(guān)注。1971 年人們給這個(gè)理論加了一個(gè)叫超對(duì)稱的對(duì)稱性，弦理論變成了現(xiàn)在所叫得超弦理論，在超弦理論中第一個(gè)問題出現(xiàn)了緩和，時(shí)空只要10維，第二個(gè)問題被消除了， 第三個(gè)問題依舊存在。1974年，人們對(duì)第三個(gè)問題重新審視，認(rèn)為自璇為2 的無質(zhì)量粒子就是引力量子化后對(duì)應(yīng)的粒子--引力子。于是超弦理論被重新定義了，它是一種量子引力理論，而不是以前認(rèn)為的強(qiáng)相互作用力理論，一種全新的量子引力理論宣告誕生！

    超弦理論沒有發(fā)散，是一自恰的理論，而且還能從物理上決定時(shí)空維數(shù)，看似是一個(gè)不錯(cuò)的量子引力理論，但它隨后的發(fā)展并非一馬平川, 而是充滿崎嶇坎坷。

超弦理論的思想很簡單很優(yōu)美，宇宙的本原以由弦構(gòu)成的，這些弦不停的振蕩，振蕩出很多物質(zhì)，其中質(zhì)量為零的物質(zhì)就包括我們現(xiàn)在的基本粒子，除了引力子外，還有電子，夸克，光子，膠子等。這樣看來超弦理論不單單能描述引力，還能描述規(guī)范力（電磁力，強(qiáng)作用力，弱作用力的統(tǒng)稱），于是超弦理論不僅僅是量子引力 理論，而且還是能描述一切相互作用力的萬有理論。當(dāng)我們用浪漫主義情懷審視這些思想，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，把弦比喻成琴弦，把弦振動(dòng)出來的基本粒子比喻成琴弦拉出來的音符，那么我們的宇宙便是一幅美麗動(dòng)聽的樂章！我們凝思宇宙的時(shí)候，就仿佛是在欣賞音樂。美哉！然而當(dāng)我們回到現(xiàn)實(shí)主義，把超弦理論跟現(xiàn)實(shí)物理聯(lián)系的時(shí)候，去遇到了大問題。

1974年，超弦被定義成量子引力理論之后，人們就迅速的找到了3 種超弦理論：typeIIA,typeIIB,typeI。前兩種弦論是自恰的理論，但它們振蕩不出如光子，膠子等規(guī)范場，而這些規(guī)范場可是描述現(xiàn)實(shí)世界必需的東西。第三種弦論可以振蕩出規(guī)范場，但它存在反常，反常使得這個(gè)理論是有毛病的，非自恰的。這樣弦論就處于非常尷尬的境地：沒毛病的理論不能現(xiàn)實(shí)世 界聯(lián)系，能聯(lián)系現(xiàn)實(shí)世界的理論卻有毛病。難道超弦理論真的只是一個(gè)海市蜃樓，空中花園，一個(gè)跟現(xiàn)實(shí)世界無關(guān)的夢想天堂？當(dāng)時(shí)絕大部分都是這樣想的，所以研究弦論的人很少。但有兩人堅(jiān)持下來了。

這兩人就是劍橋大學(xué)的Green和加州理工的Schwarz。1984年他們?nèi)〉昧送黄?，找到了一種機(jī)制成功地消除了type I弦論的反常，終于有自恰的 可能跟現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來的超弦理論了！超弦也許不在是一個(gè)空中樓閣。這個(gè)成就引爆了弦論的第一次革命。真是山窮水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。同年底，普林斯頓大學(xué)的4位研究者又發(fā)現(xiàn)了兩種不同的超弦理論：兩種雜化弦，被戲稱為普林斯頓小提琴4重奏。這兩種雜化弦更容易與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來。但具體要怎么聯(lián)系呢？畢竟，超弦理論有10維空間，而現(xiàn)實(shí)只有4維空間。

這一系列的成就和一系列的問題吸引了很多人來研究弦論，其中一個(gè)就是普林斯頓大學(xué)的年輕教授愛德華威滕（E.Witten),他在1985年發(fā)表了10多篇研究弦論的文章，篇篇精彩，其中最精彩的一篇是他跟其他3為研究者一起具體地地實(shí)現(xiàn)了雜化弦，type I弦與現(xiàn)實(shí)物理的聯(lián)系，中心思想是說，其他的6維空間太小，我們無法感知，所以我們覺得只是生活在4維空間中，這額外的6維空間緊縮成一個(gè)叫卡拉比—丘的空間，在這樣的時(shí)空背景下，弦論的低能物理就是 描述我們現(xiàn)實(shí)世界的超對(duì)稱規(guī)范場。這一成就使得第一次弦論革命達(dá)到了頂峰，其后的工作都是對(duì)上述成就的發(fā)展補(bǔ)充。

但是有些科學(xué)家對(duì)上述成就并不以為然，他們提出了一個(gè)尖銳的問題：你弦論自稱是統(tǒng)一各種力的理論，但你自己卻有5種弦，而且有可能有第6，第7，第n種弦， 怎么可以稱為統(tǒng)一理論？弦論學(xué)家無法應(yīng)對(duì)這一責(zé)難，同時(shí)還有其他的一些問題，使得弦論經(jīng)過幾年的熱潮后，又迅速消沉，到了80年代末，90年代初，弦論進(jìn) 入了全面黑暗期。有一個(gè)故事可以很好的表現(xiàn)這個(gè)時(shí)期，我國的弦論專家李淼教授說，在那段時(shí)期，別人問他做什么研究，他都不好意思說做弦論。

    這黑暗能籠罩多長？黎明的曙光又在何處？超弦理論能迎著冷眼與嘲笑繼續(xù)前進(jìn)嗎？黑夜依舊寂靜漫長，雖然不時(shí)有一些流星掠過，但它們的光輝不足以照亮整個(gè)黑夜。

    1994年7月，Seiberg跟Witten發(fā)表了一篇文章，這篇文章仔細(xì)的研究了超對(duì)稱規(guī)范場與對(duì)偶性的聯(lián)系，使得人們認(rèn)識(shí)到之前研 究過的對(duì)偶性并非是泛泛而談，而是的確在現(xiàn)實(shí)物理中起到了作用。他們指出某些超對(duì)稱規(guī)范場有強(qiáng)弱對(duì)偶性，也就是說這些超對(duì)稱理論在強(qiáng)耦合下的物理性質(zhì)等價(jià)于它們?cè)谌躐詈舷碌奈锢硇再|(zhì)?；蛘哒f某些理論可以通過對(duì)偶性等價(jià)于另外的理論。這是自第一次超弦革命后最重大的突破，它猶如一道閃電劃破寂靜的黑夜，閃電 過后暴風(fēng)雨還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

    1995年3月，世界頂尖的弦論學(xué)家跟往常一樣參加了一年一度的世界超弦大會(huì)，此次舉辦地點(diǎn)是南加州大學(xué)。Witten第一個(gè)上臺(tái)作報(bào)告，他報(bào)告了他關(guān)于 弦論對(duì)偶性的工作，在這個(gè)工作中他全面系統(tǒng)的研究了弦論的各種對(duì)偶性，得到了一個(gè)驚人的結(jié)果：已知的5中超弦理論可以通過各種對(duì)偶性聯(lián)系起來，它們只不過 是一個(gè)更基本的理論在不同極限下的5種結(jié)果，它們殊途同歸于一個(gè)更基本的理論，弦論被統(tǒng)一了！這一更基本的理論后來被叫做M理論，這個(gè)M有很多種解釋：母親（mother),魔幻（magic),神秘（mystery),膜（menbrane),矩陣（matrix）。更有弦論的反對(duì)者稱這個(gè)M就是Witten的W倒過來寫。這一報(bào)告震驚了所有與會(huì)者。當(dāng)年的一個(gè)與會(huì)者B.Greene回憶說：“當(dāng)時(shí)就像觸電一樣”。另一個(gè)與會(huì)者Seiberg回憶 說：“我是第二個(gè)報(bào)告人，當(dāng)時(shí)都不好意思作我的報(bào)告”。所以他在報(bào)告時(shí)一開場就這樣評(píng)價(jià)Witten的工作的：“與Witten剛才報(bào)告的工作相比，我只配做一個(gè)卡車司機(jī)”。盡管他報(bào)告的內(nèi)容也是相當(dāng)重要的。 暴風(fēng)雨來臨了，而且還越下越大。

在用對(duì)偶性統(tǒng)一弦論的過程中出現(xiàn)了一些神秘孤子解，也就是會(huì)振動(dòng)的擁有不同維數(shù)的膜，比如2維膜是一個(gè)面，3維膜是一個(gè)體（我們所處的宇宙便是一個(gè)3維膜），如此類推。這些膜到底是什么？終于在1995年10月，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Polchinski給出了這些膜的弦論解釋：這些膜實(shí)際上就是他在6年前與他的兩個(gè)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的D膜，可以用一種滿足狄雷克利邊界條件的開弦表示，開弦的兩個(gè)端點(diǎn)就停留在D膜上。開弦振動(dòng)出來的規(guī)范場被限制在D膜上面, 所以可以用D膜來研究規(guī)范場（即我們的現(xiàn)實(shí)世界），而且還很方便，弦論與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系又前進(jìn)了一大步。

    時(shí)間進(jìn)入到1996年，這場暴風(fēng)雨依舊沒有停止。一月哈佛大學(xué)的兩個(gè)教授Stronminger和Vafa用兩種不同維數(shù)的D膜構(gòu)造出一個(gè)黑洞，并根據(jù)D膜理論成功的計(jì)算出黑洞熵，計(jì)算結(jié)果跟以前用熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果一模一樣!這就表明黑洞的也許就是由弦論中的D膜構(gòu)成，曾經(jīng)對(duì)我們充滿神秘的黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)終 于被窺探到了!這之后，很多人用膜理論去研究黑洞的其他性質(zhì)，如霍金輻射也得到了不錯(cuò)的結(jié)果，這使得一些弦論反對(duì)者也驚呼：看來弦論是在作物理。

    還有一個(gè)謎團(tuán)沒揭開，前面說了5種弦統(tǒng)一于M理論，那么M理論到底是什么？它該用那些自由度來描述？這一問題在96年10月份有了突破,Banks等四人指出在一特殊的時(shí)空背景下，M理論可以由一個(gè)矩陣?yán)碚搧砻枋?，這一矩陣由n個(gè)零維的D膜組成，不過可惜的是這一矩陣?yán)碚撝荒茉谀莻€(gè)特殊的時(shí)空背景下才成 立，在更一般的背景下就無能為力了。M理論謎團(tuán)還是沒破解。

    到了1997年，人們還在為這些成就歡呼雀躍的時(shí)候，還在用D膜研究黑洞的時(shí)候，還在用矩陣?yán)碚撗芯縈理論的時(shí)候，一個(gè)年輕人又點(diǎn)燃了一個(gè)太陽，把本來清朗的弦論天空照得更亮了......

    讓我們把時(shí)光暫時(shí)倒轉(zhuǎn)到70年代，物理學(xué)家建立了描述強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論，即量子色動(dòng)力學(xué)（QCD),大意是說強(qiáng)子（如質(zhì)子就是一種強(qiáng)子）由夸克組成，夸克除帶有電荷以外，還帶有3種色荷，這3種色荷通過交換膠子使夸克之間發(fā)生相互作用，也就是強(qiáng)相互作用，這就如同帶有電荷的物體通過交換光子產(chǎn)生電磁作用一樣.但強(qiáng)相互作用力有個(gè)特殊的性質(zhì)：夸克之間的距離越大，作用力就越大，這點(diǎn)跟引力，電磁力完全相反。這個(gè)性質(zhì)使得夸克被禁閉在強(qiáng)子里，我們永遠(yuǎn)看不到自由的夸克。由于發(fā)生禁閉時(shí)強(qiáng)相互作用力 在強(qiáng)耦合區(qū)域，我們不知道如何計(jì)算，也就是不能給出這各區(qū)域定量的物理性質(zhì)，這就是強(qiáng)相互作用力中著名的禁閉疑難。甚至有科學(xué)院為這個(gè)疑難懸賞100萬美金。

    1974年荷蘭一個(gè)物理學(xué)家'Hooft對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了簡化，他假設(shè)夸克不止3種色荷，而是有N種，其中N是一個(gè)很大的自然數(shù)，看看QCD有何種性質(zhì)，竟然發(fā)現(xiàn)這時(shí)候QCD的性質(zhì)跟弦論的性質(zhì)一樣。這就啟發(fā)了人們規(guī)范場很有可能跟弦論是等價(jià)對(duì)應(yīng)的，也就是規(guī)范場的某些性質(zhì)可以對(duì)應(yīng)到弦論的某些性質(zhì)（這就類似于不同語言間的互譯），如果真能找到這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們就可以用弦論來研究規(guī)范場，反之也可以用規(guī)范場來研究弦論了,比如上面的講到的QCD禁閉疑難用規(guī)范場的語言難以理解，但說不定用弦論語言就能理解了。很多人都在找這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，但都無功而返。人們開始懷疑是否真的有這種對(duì)應(yīng)性質(zhì)。

    1992年的秋天，一個(gè)名叫Maldacena的阿根廷年輕小伙子來到了普林斯頓大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，他不像他的男足同胞們一樣身材魁梧，長發(fā)飄逸， 顯得英姿勃勃，他甚至還有些禿頂。但誰也不成料到這個(gè)其貌不揚(yáng)的年輕小伙會(huì)給弦論帶來怎樣的震動(dòng)。他選擇了弦論作為他的研究方向，他趕上了好時(shí)機(jī)，在他讀博的后兩年里爆發(fā)了弦論的第二次革命，在這兩年里，他跟他的導(dǎo)師Callan仔細(xì)的用D膜研究黑洞。96年順利拿到博士學(xué)位后，就去Rutgers大學(xué)做 博士后。由于他的非凡天賦，僅一年之后，便被哈佛大學(xué)挖去做了副教授。就在他來到哈佛不久，1997年11月他發(fā)表了一篇文章，在這篇文章中，他通過對(duì)D 膜和黑洞的關(guān)系的研究，提出了一個(gè)大膽的猜測：弦論在ads時(shí)空背景下等價(jià)于一個(gè)4維的超對(duì)稱規(guī)范場，這就是著名的ads/cft對(duì)應(yīng)性。其中ads代表弦論部分，cft意思是共形場論代表的是規(guī)范場部分。規(guī)范場跟弦論的一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系終于被找到了！但剛開始沒人相信這個(gè)結(jié)論，因?yàn)橥ㄆ恼掠玫臄?shù)學(xué)比較少，大部分情況都是在用文字論證，因而可信度不夠。

通過弦論的方法，人們計(jì)算了很多用規(guī)范場難以計(jì)算的物理量，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，同樣用規(guī)范場的辦法也得到了弦論很多新的知識(shí)，ads/cft對(duì)應(yīng)性成為連接天堂與現(xiàn)實(shí)最直接的橋梁。

從1997年底開始到現(xiàn)在，盡管弦論在對(duì)偶性，D膜，ads/cft對(duì)應(yīng)性這3盞明燈的指引下又得到了很大的進(jìn)展，但在弦論晴朗的天空底下依舊漂浮著幾朵揮之不去的烏云。

    第一朵就是弦論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。雖然取得了很大的成就，但至今為止還沒有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，因?yàn)橐C實(shí)弦論實(shí)在是太難了。弦論要在相當(dāng)高的能量下才發(fā)生效應(yīng)，這個(gè)能量大概能到10的19次方個(gè)Gev(Gev是一能量單位），而在地球上目前能達(dá)到的最高能標(biāo)只有10的3次方個(gè)Gev, 還相隔太遠(yuǎn)了，所以在地球上是沒法做實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證弦論的。我們只有把目光伸向茫茫的宇宙，我們知道宇宙起源于一次大爆炸，在爆炸之初的能量能夠達(dá)到10的 19次方個(gè)Gev，這個(gè)時(shí)期正是超弦發(fā)生效應(yīng)的時(shí)期，然而隨著宇宙的不斷膨脹，這些弦論效應(yīng)被不斷的稀釋掉了。我們能把這些效應(yīng)放大嗎？能在廣袤無垠的宇宙中找到一點(diǎn)蛛絲馬跡嗎？

    第二朵烏云就是M理論到底是什么樣的理論，我們?cè)撛趺疵枋鏊?。從它被提出到現(xiàn)在已經(jīng)過去12年，這個(gè)問題依舊沒得到回答，因?yàn)槲覀儗?duì)M理論知之甚少，甚至連它的基本自由度都不知道。

    第三朵烏云就是弦論有太多的真空態(tài)，大概有10的500次方個(gè)，弦論從每個(gè)真空態(tài)出發(fā)，都可以振動(dòng)出一個(gè)宇宙，也就是說弦論中可以有10的500次方個(gè)不 同的宇宙，我們的宇宙只不過是其中之一，我們?cè)?jīng)視為孕育萬事萬物的宇宙原來也只不過是滄海中的一滴水！這是令人難以接受的。更可怕的是，如果這個(gè)結(jié)論正確，那么我們的物理理論將變成沒有預(yù)言性的理論：我們宇宙中的萬有引力為什么恰好是這么大，電子為什么恰好這么重，完全是因?yàn)槲覀兦『贸鲇谶@樣的宇宙，在 其他的宇宙中電子就是另外的質(zhì)量了。這個(gè)理論叫弦景觀理論，也是弦論反對(duì)者對(duì)弦論批評(píng)得最嚴(yán)厲的地方。不過好在弦景觀理論是在半經(jīng)典的層次上出現(xiàn)的，如果我們能把所有的弦論效應(yīng)都考慮進(jìn)來的話，就能解決這個(gè)問題，但問題是現(xiàn)在我們不太會(huì)算弦論效應(yīng)。

    第四朵烏云跟ads/cft對(duì)應(yīng)性有關(guān)，這個(gè)理論從提出到現(xiàn)在剛好10年半，盡管經(jīng)受住了很多的檢驗(yàn)，有了很多的佐證，得到了有意義的結(jié)果但依舊是個(gè)猜想，不能叫定理，因?yàn)樗€沒被直接證明。我個(gè)人覺得要證明這個(gè)猜想也許要在更高的層次上才行，比如在M理論的基礎(chǔ)上。還有就是到現(xiàn)在還沒找到與QCD對(duì)應(yīng) 的弦理論，還不能解決上篇文章講到的禁閉疑難。但我們正在往這條路行走。

    這4朵烏云是目前弦論最大的4朵，但它們又是緊密相關(guān)的，解決其中任何一個(gè)，都可以強(qiáng)有力的促進(jìn)其他3個(gè)的解決。

    弦論的未來會(huì)何去何從呢？現(xiàn)在還沒人能回答。超對(duì)稱是弦論中最重要的對(duì)稱性，不過遺憾的是在宇宙中是否存在這樣的對(duì)稱性還沒被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。不過即便找到了超對(duì)稱，也不能說弦論是正確的，但起碼可以說明弦論走的方向是正確的。如果沒找到超對(duì)稱，雖然也不能說弦論是錯(cuò)誤的，但這不僅是對(duì)弦論，就是對(duì)整個(gè)理論物理也是沉重的打擊。