本文最初发表在 Knowable Magazine。
寻求宇宙奥秘的科学家们希望构建一个模型，展示所有自然界的力和粒子是如何相互关联的。如果能用乐高积木来完成就好了。但也许更靠谱的方法是，将万物都与“弦”联系起来。
当然，这里说的不是真正的弦，而是微小的能量环或能量片段。而“相互关联”需要的是数学上的联系，而不是通过形状合适的塑料积木。几十年来，许多物理学家一直怀揣着希望，认为涉及极其微小的“弦”的方程能够提供解释自然界终极亚原子之谜的理论。
所谓的弦理论，已经获得了一种模糊的文化声誉，出现在《生活大爆炸》和《海军罪案调查处》等流行电视节目中。在物理学家中，对该理论的反应褒贬不一。在20世纪80年代和90年代经历了几次富有成效的发现之后，由于未能兑现承诺，弦理论的风头有所减退。其中一项承诺是提供一种恰当的方式，将引力纳入亚原子粒子的量子理论中。另一项承诺是揭示数学，证明自然界多种基本力只是一个统一力的不同表现。但这些承诺仍未兑现。
然而，在弦理论退出聚光灯的这段时间里，一群相当数量的弦理论信徒一直在努力收尾。虽然成功仍难以捉摸，但已经取得了实际进展。困扰物理学家的问题，不仅包括最小的物质单元，还包括整个宇宙的性质，或许最终能通过弦理论家的努力得到解答。
物理学家 Fernando Marchesano、Gary Shiu 和 Timo Weigand 在2024年的《核物理和粒子物理年鉴》中写道：“粒子物理学和宇宙学中的许多未解问题都深深地交织在一起。” 弦理论可能为解决这些问题提供了途径。
现实的方程
这项探索中的一个主要方法是弄清楚弦理论是否能解释所谓的粒子物理标准模型。标准模型是在20世纪后期发展起来的，它提供了一个列出自然界所有基本粒子的名录。有些粒子是物质的基本构成单元；有些粒子传递物质粒子之间的力，控制着它们的行为。
要绘制一张显示这些粒子的图表相当简单。你需要12个位置来表示物质粒子——六种夸克和六种轻子。你需要四个位置来表示力的粒子（统称为玻色子），再加上一个位置表示希格斯玻色子，这是解释为什么某些粒子具有质量所必需的粒子。但图表背后的数学却极其复杂，是一系列连象形文字都显得易于理解的方程的组合。
这些方程在解释几乎所有粒子物理行为的结果方面都表现出色。但标准模型不可能构成宇宙的全部故事。Marchesano 和合作者们写道：“尽管标准模型在描述目前可观测的能量尺度下的粒子物理学方面取得了巨大的成功，但仍有令人信服的理由表明它是不完整的。”
首先，它的方程不包含引力，而引力在标准模型图表中没有位置。而且标准模型的数学留下了许多未解答的问题，例如为什么有些粒子的质量如此精确。标准模型的数学也不包括潜藏在星系内外以及它们之间的神秘暗物质，也不能解释为什么真空会充满一种导致宇宙加速膨胀的能量。
一些研究这些问题的人认为，弦理论可以提供帮助，因为标准模型的弦理论版本将包含额外的数学，可以弥补其不足。换句话说，如果弦理论是正确的，标准模型将只是弦理论对现实完整数学描述的一个片段。问题在于，弦理论描述了许多不同的现实版本。这是因为弦存在于一个拥有除我们熟悉的三个维度之外的多个空间维度的领域。有点像升级版的《阴阳魔界》。
弦理论家们承认，日常生活在三维世界中照常进行。因此，弦理论世界的额外维度必定小到无法察觉：它们必须收缩，或者说“紧致化”，成为亚微观尺度。这就像一个生活在巨大纸张上的蚂蚁，它会感知到二维表面，却从未意识到纸张还有第三个、非常小的维度。
弦理论的额外维度不仅必须收缩，而且它们还可以收缩成真空空间无数种不同的构型或几何形状。其中一种可能的几何形状可能是收缩的维度所具有的正确形状，以解释标准模型的性质。
Marchesano 和合作者们写道：“标准模型的……特征、问题和谜团可以根据额外维度的几何形状来重新表述。”
由于弦理论的数学可以以多种不同的形式表达，理论家们必须探索多种可能的途径来找到最有成效的表述。到目前为止，已经发现了能够描述标准模型许多特征的弦理论方法。但是，需要不同的真空紧致化几何形状来分别解释每个特征。Marchesano 和同事们指出，挑战在于找到一种真空几何形状，能够同时包含所有这些特征，同时还要纳入描述已知宇宙的特征。
例如，一个成功的额外维度紧致化，将产生一个真空空间，其中包含适量的“暗能量”，这是宇宙加速膨胀的源头。宇宙暗物质的候选者也应该出现在弦理论的数学中。事实上，一对与超对称性有关的数学特性，从涉及超对称性的弦方程中涌现出一整套额外的力和物质粒子。“几乎所有类似于标准模型的弦理论模型在紧致化尺度上都显示出超对称性，” Marchesano 和他的合著者写道。
包含超对称粒子的弦理论版本被称为“超弦理论”。长期以来，人们一直怀疑这些“超粒子”构成了宇宙的暗物质。但到目前为止，在太空中探测它们或在粒子加速器中制造它们都未能成功。
至于引力，传递引力的粒子自然而然地出现在弦理论的数学中——这是该理论最初吸引人的一个重要原因。但许多弦理论的表述都包含引力，这并不能告诉你哪种表述提供了对真实世界的正确描述。
实验是可能的
如果弦理论是正确的，那么自然的基本粒子将不是标准理论中的零维点状物体。相反，不同的粒子将源于一维弦的不同振动模式，可以是闭合的环，也可以是两端连接到称为膜的多维空间物体上的片段。这些弦的尺度大致会比原子小，其比例就像原子比太阳系小一样。非常小，没有可行的方法可以直接探测到它们。探测如此微小尺度所需的能量远远超出了任何实际技术的 alcance。
但是，如果弦理论能够解释标准模型，它也将包含其他可以通过实验验证的现实特征，例如标准模型图表中未包含的粒子类型。Marchesano 和同事们写道：“实现标准模型的弦理论构造总是包含额外的部分……其能量尺度可能在不久的将来得到检验。”
最终，弦理论仍然是整合宇宙拼图所有碎片的一个充满希望的候选者。如果它成功了，科学家们最终就能解开量子物理与引力之间的关系，以及自然界粒子和力的性质是如何彼此深刻联系的奥秘。Marchesano 和同事们写道：“弦理论拥有帮助我们理解这种深刻联系的所有要素。”
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
