今天，我們要探索的是弦理論。我們的宇宙包含著物質，當我們近距離觀察物質時，會發現它是由粒子組成的。粒子有很多類別，比如電子、誇克或微中子。粒子在宇宙中運動，並可以透過交換其他粒子來相互作用。例如，電磁力就是透過交換光子來傳遞的。
所有這些不同的粒子都被包含在一個叫做「標準模型」的理論中。它是目前我們對量子世界最精確的數學描述。標準模型包含兩大類粒子：費米子，主要構成物質；玻色子，主要描述相互作用。
乍一看，你可能會認為這就是終極理論，標準模型描述了一切。但遺憾的是，還有一種相互作用是這個模型無法解釋的：重力。在宏觀尺度上，我們知道重力可以用廣義相對論來描述。物體彎曲時空，從而吸引其他物體。與其他類別的相互作用一樣，我們也期待著在量子尺度上能找到組成時空曲率的小粒子，我們稱之為「重力子」，它是時空曲率的量子。
但是，當我們嘗試將重力子納入標準模型時，計算結果卻出現了荒謬的結果，得到了一些無法消除的無窮大值。這意味著我們無法在量子尺度上描述重力。為了解決這個問題，半個多世紀以來，物理學家們一直在尋找新的理論。弦理論就是其中最有希望的方法之一。
弦理論的基本思想很簡單。在標準模型中，粒子被描述成沒有大小的點。我們承認這些點並不都具有相同的性質，以此來解釋為什麽會有不同類別的粒子。而在弦理論中，我們認為這只是一個近似，如果我們放大粒子，會發現它們都是由一根根微小的弦組成的，有些弦是開弦，有些弦是閉弦。這些小弦像微小的橡皮筋一樣有張力，並且可以振動。
一根吉他弦可以以不同的模式或諧波振動。同樣，我們的小弦也可以以不同的方式振動：一個波紋，兩個波紋，三個波紋，等等。不同的振動模式在我們看來，就是不同類別的粒子。當我們進行計算時，我們特別發現，有些弦的行為像光子，更令人驚喜的是，有些弦的行為像重力子。
從「粒子是具有張力的小弦」這唯一一個原理出發，我們就已經解釋了為什麽會有不同類別的粒子。我們自然地預測了重力子的存在，從而在量子尺度上描述了重力。我們現在想了解這些弦如何在宇宙中演化。為此，我們將使用與我們現有模型相同的原理。
想象一下，我們向目標發射一個電子。電子像波一樣傳播，當它到達目標時，我們無法確定它會在哪裏具體化。在量子尺度上，相同的實驗可以得到不同的結果。我們只能預測觀察到這樣或那樣結果的概率，而物理學在這個尺度上的目標，就是確定這些概率。確定觀察到特定結果的概率的數學方法是，同時考慮所有可能導致該結果的情況。我們要對所有軌跡求和，同時也對所有可能的相互作用求和。
例如，一個電子可以發射一個光子，然後重新吸收它，或者發射兩個光子，甚至三個。在我們考慮的所有情況下，我們手動決定允許這種或那種類別的相互作用，以重現我們在現實中觀察到的情況。透過對所有這些情況求和，我們得到了所需的概率。在弦理論中，方法是相同的。然而，粒子不再是點。一個點在時間上描繪出一條軌跡，而一根弦則描繪出一個曲面。為了用量子物理學中的概率方式來描述弦的演化，我們將考慮弦在時間上可以描繪出的所有可能的幾何形狀。它可以遵循特定的軌跡，以某種方式振動，自我復制（相當於發射一個粒子），或重新組合（相當於重新吸收粒子），形成一個有洞的幾何形狀。透過對所有可能的幾何形狀求和，弦理論自動地包含了相互作用。不需要手動添加它們。
順便說一下，標準模型中的相互作用是局域的。例如，光子的發射是瞬間發生的。在弦理論中，相互作用現在是連續的。粒子不再是瞬間發射，而是逐漸發射。這消除了我們在試圖將重力子納入標準模型時得到的無窮大。透過這種方式，弦理論不僅預測了重力子的存在，而且還允許我們計算它如何與其他粒子相互作用，從而描述量子重力。
到目前為止，該理論看起來非常有希望。它解釋了為什麽會有不同類別的粒子，預測了它們可以相互作用，並且包含了對重力的量子描述。不幸的是，在這個階段，該模型存在三個問題。第一個問題：所有的弦都表現得像玻色子，比如光子或重力子。在我們的世界中，還有另一類粒子：費米子，比如電子。但到目前為止，我們的模型還沒有預測出這樣的粒子。第二個問題：該理論預測的一種粒子是我們所說的快子。它的質素似乎是一個虛數，即一個負數的平方根。這是一個數學問題，我們必須把它解決掉。最後，第三個問題：我們的時空有四個維度，三個空間維度和一個時間維度，但這個理論似乎只在一個有26個維度的宇宙中才成立。
在這個階段，弦理論似乎離描述我們所在的宇宙還很遠。為了解決這些問題，我們將不得不進一步推進這個理論。為了將費米子納入我們的模型，我們的想法是在弦上添加自旋器。它們是已經在標準模型中描述費米子的數學成分。透過簡單地將自旋器添加到弦上，我們解決了兩個問題。該模型現在預測了費米子的存在，並且不再預測快子，即那個有問題的粒子。這個更完整的理論被稱為超弦理論。事實上，現在我們添加了自旋器，我們的理論在費米子和玻色子之間表現出一種基本的對稱性。在某種程度上，它預測玻色子的數量和費米子的數量一樣多。這就是所謂的超對稱性。
第三個問題呢？在我們包含超對稱性之前，數學計算需要一個26維的宇宙。現在，超弦理論需要一個有10個維度的宇宙。不幸的是，第三個問題還沒有解決。該理論似乎不適合我們的宇宙，我們的宇宙只有四個維度。然而，到目前為止，該模型非常有希望。我們應該因此而放棄它嗎？如果它們存在，這六個缺失的維度會在哪裏？一種可能性是，我們的宇宙可能只是一個更大九維超宇宙的三維切片。另一種可能性是，我們沒有觀察到的六個維度蜷縮在自己身上。
為了理解這一點，讓我們想象一只螞蟻在一根吸管上行走。吸管有兩個維度。螞蟻可以沿著吸管的周長來回走動，也可以左右走動。但如果我們把鏡頭拉得足夠遠，我們就只能註意到這兩個維度中的一個。第二個維度，即圍繞吸管彎曲的維度，非常小，在這個尺度上是看不到的。在弦理論中，我們可以假設一個類似的現象。我們的宇宙會有九個空間維度，但其中六個維度會非常小，蜷縮在自己身上，以至於我們在自己的尺度上看不到它們。
這個假設可能看起來有點牽強。假設存在我們沒有觀察到的維度是否合理？但事實證明，額外維度的存在是一個非常有趣的問題，它暗示了我們可能觀察到的現象。例如，我們可以想象一個無質素的粒子，它以光速運動，但部份地在緊湊的維度內運動。從我們的角度來看，我們看不到這個維度，因此粒子在我們看來似乎更慢。我們只觀察到它全部運動的一部份。它似乎變慢了，就好像它有質素一樣。因此，額外緊縮維度的概念暗示了一種相當簡單的機制，透過這種機制，一些粒子可能表現出很大的質素。然而，目前它需要太多的能量，我們無法在粒子加速器中創造它們，也無法證實或否定它們的存在。
這些額外維度的存在也允許存在更多種多樣的振動模式，因此也允許存在更多種類的潛在粒子。此外，有許多不同的方式來卷曲六個維度，每種可能性都會預測一個不同的宇宙，在這個宇宙中，弦可以采取不同的振動模式，因此表現為不同的粒子。透過仔細選擇這六個維度緊化的方式，我們可以調整我們的描述，使其預測的粒子與我們在我們這個世界中觀察到的粒子相同。
也就是說，在無數的可能性中，目前還不清楚為什麽我們的宇宙包含的是標準模型中的粒子，而不是其他一些可能性。根據一些仍在推測中的假設，宇宙的幾何形狀甚至可能隨著時間的推移而發生變化，從一種緊化轉變為另一種緊化，因此物理定律在我們宇宙的第一個瞬間可能發生了變化。
總而言之，弦理論至今仍然是一個推測性的模型，很難用實驗來檢驗，因為弦會非常小，而且它只是在尋找終極理論的眾多方法中的一種。然而，它仍然是最有希望的模型之一，其洞察力遠遠超出了其最初的目標。弦使我們能夠在量子尺度上描述重力，並為研究黑洞開啟了大門。它們幫助發展了幾個數學領域，並更好地理解了標準模型本身。弦理論甚至為粒子提供了一些假設的候選者，比如軸子，以潛在地解釋暗物質。也就是說，還有很多研究要做。特別是，弦理論中那些最容易理解的方面很大程度上依賴於超對稱性，而超對稱性傾向於預測我們似乎還沒有觀察到的額外粒子的存在。有一些緊化可以解釋我們為什麽沒有觀察到超對稱性，然而，這些緊化仍然非常罕見，而且我們對其知之甚少。
最後，為了更進一步，實際上存在五種不同版本的超弦理論，它們描述了不同類別的宇宙。我們可以用數學方法證明，這五種理論實際上是一個更完整的模型的近似，該模型描述了一個有11個維度的宇宙：M 理論。
