今天，我们要探索的是弦理论。我们的宇宙包含着物质，当我们近距离观察物质时，会发现它是由粒子组成的。粒子有很多类型，比如电子、夸克或中微子。粒子在宇宙中运动，并可以通过交换其他粒子来相互作用。例如，电磁力就是通过交换光子来传递的。
所有这些不同的粒子都被包含在一个叫做「标准模型」的理论中。它是目前我们对量子世界最精确的数学描述。标准模型包含两大类粒子：费米子，主要构成物质；玻色子，主要描述相互作用。
乍一看，你可能会认为这就是终极理论，标准模型描述了一切。但遗憾的是，还有一种相互作用是这个模型无法解释的：引力。在宏观尺度上，我们知道引力可以用广义相对论来描述。物体弯曲时空，从而吸引其他物体。与其他类型的相互作用一样，我们也期待着在量子尺度上能找到组成时空曲率的小粒子，我们称之为「引力子」，它是时空曲率的量子。
但是，当我们尝试将引力子纳入标准模型时，计算结果却出现了荒谬的结果，得到了一些无法消除的无穷大值。这意味着我们无法在量子尺度上描述引力。为了解决这个问题，半个多世纪以来，物理学家们一直在寻找新的理论。弦理论就是其中最有希望的方法之一。
弦理论的基本思想很简单。在标准模型中，粒子被描述成没有大小的点。我们承认这些点并不都具有相同的性质，以此来解释为什么会有不同类型的粒子。而在弦理论中，我们认为这只是一个近似，如果我们放大粒子，会发现它们都是由一根根微小的弦组成的，有些弦是开弦，有些弦是闭弦。这些小弦像微小的橡皮筋一样有张力，并且可以振动。
一根吉他弦可以以不同的模式或谐波振动。同样，我们的小弦也可以以不同的方式振动：一个波纹，两个波纹，三个波纹，等等。不同的振动模式在我们看来，就是不同类型的粒子。当我们进行计算时，我们特别发现，有些弦的行为像光子，更令人惊喜的是，有些弦的行为像引力子。
从「粒子是具有张力的小弦」这唯一一个原理出发，我们就已经解释了为什么会有不同类型的粒子。我们自然地预测了引力子的存在，从而在量子尺度上描述了引力。我们现在想了解这些弦如何在宇宙中演化。为此，我们将使用与我们现有模型相同的原理。
想象一下，我们向目标发射一个电子。电子像波一样传播，当它到达目标时，我们无法确定它会在哪里具体化。在量子尺度上，相同的实验可以得到不同的结果。我们只能预测观察到这样或那样结果的概率，而物理学在这个尺度上的目标，就是确定这些概率。确定观察到特定结果的概率的数学方法是，同时考虑所有可能导致该结果的情况。我们要对所有轨迹求和，同时也对所有可能的相互作用求和。
例如，一个电子可以发射一个光子，然后重新吸收它，或者发射两个光子，甚至三个。在我们考虑的所有情况下，我们手动决定允许这种或那种类型的相互作用，以重现我们在现实中观察到的情况。通过对所有这些情况求和，我们得到了所需的概率。在弦理论中，方法是相同的。然而，粒子不再是点。一个点在时间上描绘出一条轨迹，而一根弦则描绘出一个曲面。为了用量子物理学中的概率方式来描述弦的演化，我们将考虑弦在时间上可以描绘出的所有可能的几何形状。它可以遵循特定的轨迹，以某种方式振动，自我复制（相当于发射一个粒子），或重新组合（相当于重新吸收粒子），形成一个有洞的几何形状。通过对所有可能的几何形状求和，弦理论自动地包含了相互作用。不需要手动添加它们。
顺便说一下，标准模型中的相互作用是局域的。例如，光子的发射是瞬间发生的。在弦理论中，相互作用现在是连续的。粒子不再是瞬间发射，而是逐渐发射。这消除了我们在试图将引力子纳入标准模型时得到的无穷大。通过这种方式，弦理论不仅预测了引力子的存在，而且还允许我们计算它如何与其他粒子相互作用，从而描述量子引力。
到目前为止，该理论看起来非常有希望。它解释了为什么会有不同类型的粒子，预测了它们可以相互作用，并且包含了对引力的量子描述。不幸的是，在这个阶段，该模型存在三个问题。第一个问题：所有的弦都表现得像玻色子，比如光子或引力子。在我们的世界中，还有另一类粒子：费米子，比如电子。但到目前为止，我们的模型还没有预测出这样的粒子。第二个问题：该理论预测的一种粒子是我们所说的快子。它的质量似乎是一个虚数，即一个负数的平方根。这是一个数学问题，我们必须把它解决掉。最后，第三个问题：我们的时空有四个维度，三个空间维度和一个时间维度，但这个理论似乎只在一个有26个维度的宇宙中才成立。
在这个阶段，弦理论似乎离描述我们所在的宇宙还很远。为了解决这些问题，我们将不得不进一步推进这个理论。为了将费米子纳入我们的模型，我们的想法是在弦上添加自旋器。它们是已经在标准模型中描述费米子的数学成分。通过简单地将自旋器添加到弦上，我们解决了两个问题。该模型现在预测了费米子的存在，并且不再预测快子，即那个有问题的粒子。这个更完整的理论被称为超弦理论。事实上，现在我们添加了自旋器，我们的理论在费米子和玻色子之间表现出一种基本的对称性。在某种程度上，它预测玻色子的数量和费米子的数量一样多。这就是所谓的超对称性。
第三个问题呢？在我们包含超对称性之前，数学计算需要一个26维的宇宙。现在，超弦理论需要一个有10个维度的宇宙。不幸的是，第三个问题还没有解决。该理论似乎不适合我们的宇宙，我们的宇宙只有四个维度。然而，到目前为止，该模型非常有希望。我们应该因此而放弃它吗？如果它们存在，这六个缺失的维度会在哪里？一种可能性是，我们的宇宙可能只是一个更大九维超宇宙的三维切片。另一种可能性是，我们没有观察到的六个维度蜷缩在自己身上。
为了理解这一点，让我们想象一只蚂蚁在一根吸管上行走。吸管有两个维度。蚂蚁可以沿着吸管的周长来回走动，也可以左右走动。但如果我们把镜头拉得足够远，我们就只能注意到这两个维度中的一个。第二个维度，即围绕吸管弯曲的维度，非常小，在这个尺度上是看不到的。在弦理论中，我们可以假设一个类似的现象。我们的宇宙会有九个空间维度，但其中六个维度会非常小，蜷缩在自己身上，以至于我们在自己的尺度上看不到它们。
这个假设可能看起来有点牵强。假设存在我们没有观察到的维度是否合理？但事实证明，额外维度的存在是一个非常有趣的问题，它暗示了我们可能观察到的现象。例如，我们可以想象一个无质量的粒子，它以光速运动，但部分地在紧凑的维度内运动。从我们的角度来看，我们看不到这个维度，因此粒子在我们看来似乎更慢。我们只观察到它全部运动的一部分。它似乎变慢了，就好像它有质量一样。因此，额外紧缩维度的概念暗示了一种相当简单的机制，通过这种机制，一些粒子可能表现出很大的质量。然而，目前它需要太多的能量，我们无法在粒子加速器中创造它们，也无法证实或否定它们的存在。
这些额外维度的存在也允许存在更多种多样的振动模式，因此也允许存在更多种类的潜在粒子。此外，有许多不同的方式来卷曲六个维度，每种可能性都会预测一个不同的宇宙，在这个宇宙中，弦可以采取不同的振动模式，因此表现为不同的粒子。通过仔细选择这六个维度紧化的方式，我们可以调整我们的描述，使其预测的粒子与我们在我们这个世界中观察到的粒子相同。
也就是说，在无数的可能性中，目前还不清楚为什么我们的宇宙包含的是标准模型中的粒子，而不是其他一些可能性。根据一些仍在推测中的假设，宇宙的几何形状甚至可能随着时间的推移而发生变化，从一种紧化转变为另一种紧化，因此物理定律在我们宇宙的第一个瞬间可能发生了变化。
总而言之，弦理论至今仍然是一个推测性的模型，很难用实验来检验，因为弦会非常小，而且它只是在寻找终极理论的众多方法中的一种。然而，它仍然是最有希望的模型之一，其洞察力远远超出了其最初的目标。弦使我们能够在量子尺度上描述引力，并为研究黑洞打开了大门。它们帮助发展了几个数学领域，并更好地理解了标准模型本身。弦理论甚至为粒子提供了一些假设的候选者，比如轴子，以潜在地解释暗物质。也就是说，还有很多研究要做。特别是，弦理论中那些最容易理解的方面很大程度上依赖于超对称性，而超对称性倾向于预测我们似乎还没有观察到的额外粒子的存在。有一些紧化可以解释我们为什么没有观察到超对称性，然而，这些紧化仍然非常罕见，而且我们对其知之甚少。
最后，为了更进一步，实际上存在五种不同版本的超弦理论，它们描述了不同类型的宇宙。我们可以用数学方法证明，这五种理论实际上是一个更完整的模型的近似，该模型描述了一个有11个维度的宇宙：M 理论。
