天文学家卡尔·萨根在他经典的著作《伊甸园的龙》中，简洁地总结了科学家在尝试构思宏大的新理论时面临的核心挑战：“非凡的主张需要非凡的证据。”现代最非凡的主张之一来自弦理论，它认为宇宙中的一切都由微小的振动能量弦构成。在这种观点下，你身体里的每个粒子，让你阅读这些文字的每一点光，以及把你推入椅子里的每束引力，都只是这种基本实体的变体。在过去的三十年里，弦理论越来越吸引了物理学家的想象力。现在，世界各地成百上千的研究人员每天都在努力解决它的方程，试图让理论的不同部分融为一体。他们，和我一样，认为这是自阿尔伯特·爱因斯坦和马克斯·普朗克大约一个世纪前提出了相对论和量子力学的关键思想以来，科学上最伟大的进步。
然而，弦理论，像所有科学理论一样，最终必须面对萨根描述的严峻考验。到目前为止，它还无法通过。坦白地说，没有任何证据表明弦理论是正确的。
那么，它的倡导者如何坚持下去呢？部分答案在于该理论惊人的前提。自然界充满了令人困惑的原子以下粒子种类和四种看似独立的力：引力、电磁力以及强核力和弱核力。通过将亚原子粒子描述为振动的弦，有点像拉紧的橡皮筋，弦理论将所有这些不同的部分整合到一个单一的框架中。每种粒子类型——包括构成普通物质的电子和传递电磁力的光子——都简单地对应于弦的特定振动频率。就像拉动橡皮筋会改变其振动频率一样，改变弦的振动模式会将电子转变为中微子、夸克或其他粒子。
弦还有另一个诱人的，甚至更深奥的特性。当它们振动时，它们会迫使空间和时间围绕它们弯曲，以爱因斯坦在他的相对论中描述的精确方式产生引力。因此，弦理论有望将描述我们看不见的微小世界（亚原子粒子世界）作用的方程与描述引力以及我们每天经历的宏观世界的方程合并。爱因斯坦在他生命的最后三十年里一直在寻找这种合并，他将其比作“阅读上帝的思想”。弦理论可能实现爱因斯坦未能实现的目标，一个解释宇宙如何运作的统一理论。
纵观现代史，物理学中每一个新的统一原理的发现都引发了惊人的新实际见解。艾萨克·牛顿的力学定律为蒸汽机和工业革命铺平了道路。迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦关于电和磁是同一种力——电磁学——的两个方面的见解，最终开启了电子时代。爱因斯坦关于能量和物质可以互换的认识，帮助开创了核时代。我们只能猜测弦理论得到证实后可能随之而来的发现。
最后，弦理论背后的数学极其复杂和优美，这些方程经受住了每一次数学挑战。研究弦理论的人常常带着一种强烈而难以量化的感觉，认为它“闻起来像真理”。
但任何理论，无论多么宏伟，都必须是可重复的，而这正是检验弦理论变得有点疯狂的地方。该理论的每个解都代表着一个完整的宇宙，因此要充分检验该理论，就必须在实验室中创造一个婴儿宇宙。最先进的技术几乎只让我们能逃离地球，更不用说重现另一个宇宙了。因此，怀疑论者，他们通常承认数学的美妙，长期以来一直将弦理论斥为无法检验的幻想。
这可能很快就会改变。一系列新设备——包括新型原子对撞机、引力探测器、天基卫星和地下探测器——可能提供支持弦理论的重要证据。问题是，所有这些新证据，无论多么引人注目，都将只提供间接证据。
引力波测试 弦理论中的弦是如此微小——大约是质子大小的十亿分之一的十亿分之一——它们只能在我们的想象中被构想出来。弦的微小意味着我们应该在大爆炸后不久寻找它们的证据，那时整个宇宙极其微小。在那个早期时代，弦的振动应该已经产生了引力波纹，或引力波，以光速在宇宙中共振。弦理论预测了这些波的频率。如果我们观测到引力波并且发现它们的频率与弦理论的预测不符，那么整个想法都会受到质疑。
目前还没有人探测到引力波，但这并非因为缺乏尝试。位于路易斯安那州和华盛顿州的两座庞大设施中的新型激光干涉仪引力波观测站于2002年上线。科学家们仍在校准设备并提高其灵敏度；他们希望在未来几年内，该观测站将首次探测到引力波。
大约八年后，美国宇航局和欧洲空间局计划发射激光干涉仪空间天线（LISA）。它由三颗环绕太阳运行的卫星组成。它们将通过三束激光束连接，形成一个边长均为300万英里（约480万公里）的光三角形。这些卫星旨在探测其间距小于单个原子直径十分之一的变化。理论上，经过的引力波会改变卫星之间空间的轮廓，从而以可测量的方式改变激光束相互结合的方式。
引力波应该由许多来源产生，包括碰撞的黑洞和爆炸的恒星，但LISA也应该能够探测到宇宙诞生后立即产生的波。早期的卫星，如威尔金森微波各向异性探测器，探测到大爆炸遗留下来的微波能量，展示了宇宙在约30万岁时的样子。LISA应该能够回溯到更早的时期——大爆炸后万亿分之一秒。
LISA的结果可能使物理学家能够区分关于宇宙大爆炸后甚至**之前**发生的不同理论。一个主要的宇宙学模型，被称为暴胀，预测我们的宇宙只是一个更大多元宇宙的一部分，我们的大爆炸可能只是众多大爆炸之一。在这个模型中，我们的宇宙在其存在的最初一小部分时间里以极快的速度膨胀。另一个植根于弦理论的理论，则设想了一种情景，即大爆炸是两个漂浮在高维空间中的平行宇宙碰撞的结果。
这些理论可能听起来不可思议，但它们都预测了大爆炸发出的特定引力波模式。LISA也许能够区分其中一些模式，从而为137亿年前宇宙诞生时的条件提供实证检验。即使LISA的灵敏度不足以进行这项测试，物理学家们也认为其后续设备将能够做到。如果LISA及其后续设备接收到的信号与弦理论学家的预期一致，它们将验证某种版本的弦理论是正确的引力量子理论。
粒子加速器测试
心急如焚的物理学家可能不必等到LISA就能知道弦理论家是否走在了正确的轨道上。仅仅两年后，世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机——将在日内瓦郊外投入运行。它将使高能质子相互碰撞，这种情景有点类似于将两块手表从大炮中相互射击，以了解它们是由什么组成的。通过对碰撞质子瞬间产生的碎片进行分类，弦理论家希望找到以前从未见过的巨大粒子。
根据弦理论，我们熟悉的粒子，如质子、中子和电子，代表着弦的最低振动模式——从某种意义上说，是最低八度音阶。其他更高音调的振动模式应该会产生相关但质量更大的粒子家族，被称为超粒子或“斯夸克”。弦理论预测所有亚原子粒子都有这样的伴侣。例如，电子应该有一个被称为“选择子”的超伴侣，而每个夸克都有一个被称为“斯夸克”的超伴侣。目前还没有人探测到“斯夸克”，这可能是因为现有的粒子加速器功率太弱。
一些物理学家预计大型强子对撞机将有足够的能量来揭示超粒子。对撞机的心脏是一个17英里长的圆形隧道，横跨法国和瑞士边境。在那里，两束质子将以相反方向循环。当工程师在2007年扳动开关时，一股12000安培的电流脉冲将猛烈撞击巨大的电磁线圈，产生比地球强大10万倍的磁场。磁铁将使粒子沿着圆形路径弯曲，同时将它们加速到光速的99.999999%，并达到接近14万亿电子伏特的能量，比炸药释放的能量强大数万亿倍。
在大型强子对撞机开始寻找超粒子之前，它将首先测试粒子物理标准模型的边界，这是目前关于亚原子粒子行为的主流理论（参见凯伦·赖特《追逐我，如果你能》，《发现》杂志，2005年7月）。标准模型或许是最成功的量子理论，解释了迄今为止观察到的所有亚原子相互作用，但它仅仅激发了弦理论家的兴趣。他们认为标准模型是人为的、丑陋的且不完整的，因为它包含至少19个可调参数、三个近乎相同的亚原子粒子副本，并且没有描述引力。
超弦理论认为，标准模型只描述了弦的最低振动模式。在这种观点下，标准模型很好地描述了我们所知的世界，但它尚未完成。然而，标准模型作为一种可行的理论已经存在了几十年。超粒子的发现将标志着它首次未能充分解释微小的量子世界，并将引发实验粒子物理学家们进行大量新测试，他们有时嘲笑弦理论过于抽象。然而，超粒子并不能完全证实弦理论。一些物理理论无需借助弦就能解释超粒子般粒子的存在。
大型强子对撞机还可以通过其他方式支持弦理论。例如，它可能会产生该理论某个版本所预测的微型黑洞；这些黑洞在分解时会产生亚原子粒子的特征性粒子簇射。（物理学家表示，这些黑洞非常小，不会吞噬瑞士和地球其他部分。）该对撞机还可能强大到足以测试弦理论最奇怪的预测之一——即存在许多维度。弦理论的最新版本预测，除了我们能感知的三个维度之外，实际上还有七个空间维度。大型强子对撞机的碰撞可能会将亚原子粒子撞入其他维度之一，将它们直接从我们的三维世界中击出。然后，丢失的质量和能量，或者高维粒子本身的衰变产物，可以被大型强子对撞机的传感器探测到。
实验室引力测试
有一种出人意料的简单方法可以探测弦理论预测的更高维度：寻找牛顿引力定律的偏差。牛顿推断引力随距离的平方衰减。例如，将你与地球的距离加倍，它的引力会减弱四分之一。引力在所有空旷空间中传播，因此它的特性对它所传播的维度数量很敏感。如果弦理论预测的额外维度存在，一些引力也应该会泄漏到这些维度中。我们将观察到这种泄漏，表现为对牛顿描述的平方反比定律的微小偏差。
牛顿理论在我们的太阳系内外都得到了极其精确的检验。它精确到我们可以告诉像卡西尼号这样的太空探测器如何穿梭于土星环之间，相距十亿英里。但根据弦理论，在毫米（1/25英寸）这样的小尺度下，引力可能会跨越更高的维度，甚至可能进入其他平行宇宙，并在过程中被稀释。
六年前，物理学家约翰·普莱斯和他在科罗拉多大学博尔德分校的同事进行了首次通过引力探测高维度的实验。研究小组构建了一个巧妙的装置，由两根平行的钨簧片组成。其中一根簧片每秒振动1000次，产生微小的引力扰动，这应该会微妙地牵引另一根簧片。第二根簧片的运动应随后指示引力如何在两者之间传递。
普莱斯的装置反应灵敏，可以测量到沙粒重量的十亿分之一的扰动，但研究人员发现，当簧片间距仅为0.108毫米（1/250英寸）时，牛顿引力定律没有发生任何偏差。另外还有六个小组开发了测试来探测在类似距离上引力的行为。到目前为止，还没有其他宇宙的迹象。（或者也许实验只是表明科罗拉多没有平行宇宙。）
也许额外的维度只会在更小的尺度上出现——弦理论对这一预测仍有些模糊。因此，其他实验物理学家正试图在原子大小的距离上测试牛顿引力定律。加州大学河滨分校的乌马尔·莫希丁正在尝试测量一个微小的镀金聚苯乙烯球体和一个镀金蓝宝石板之间的吸引力。这种吸引力不仅源于引力，还源于一种深奥的量子现象，即卡西米尔效应，由即使在空旷空间中也存在的潜在能量引起。莫希丁已经开始尝试测量几百纳米（原子直径的一千倍）距离上的引力。
由印第安纳大学-普渡大学的里卡多·德卡领导的团队开发了一种替代方法，可以抵消卡西米尔效应，从而直接测量引力相互作用。他最近完成了一项纳米尺度实验，比较了镀金球体与镀有一层共同金的测试金和锗样品之间的吸引力。通过比较作用在金和锗上的力，可以减去卡西米尔效应的作用，并揭示引力以前未曾见过的方面，这可能为弦理论的额外维度提供证据。未来，德卡和他的同事们计划使用由镍-58和镍-64（具有相同化学性质但质量相差约10%的同位素形式）制成的紧密间隔板进行类似的实验。迄今为止，德卡的团队尚未发现任何高维度的迹象，但改进版的测试将很快展开。
暗物质搜索
与寻找额外维度一样，寻找粒子可能不需要城市大小、耗资数十亿美元的加速器。天文学研究表明，宇宙中约23%的质量和能量由暗物质组成，这些粒子不发光，除了引力作用外，几乎不与普通物质相互作用。这种看不见的物质围绕着星系，其质量通常是星系本身的几倍。没有人知道它是由什么组成的，但弦理论预测了隐形且质量巨大的超粒子的丰富存在——这正是暗物质的特征。
暗物质似乎弥漫在我们的银河系中。如果它由超粒子组成，它们应该无处不在。当地球绕银河系运行时，我们的星球应该持续穿过一股看不见的暗物质粒子风，这些粒子会穿过地球和地球上的一切：你的社区、你的客厅、你的身体。
意大利、法国、英国、日本和美国的几个团队正在竞相捕获暗物质粒子。他们中的许多人依赖于高纯度材料，如液态氙和锗晶体，将其冷却到低温并放置在深层矿井中，以保护设备免受持续撞击地球大气层的普通粒子流的影响。大多数时候，经过的暗物质粒子会直接穿过材料而不会撞击任何东西，因此无法被探测到。（在量子尺度层面，原子绝大多数由空旷空间组成。）但偶尔，一个暗粒子可能会与一个原子碰撞。原子核的突然反冲会引发一连串带电粒子和原子，以及光和热，这些都可以被传感器检测到。
这种方法原则上很简单，但在实践中却很棘手，因为许多其他事件可以模拟暗物质粒子。1999年，罗马大学的一个小组宣布他们在探测器中发现了暗物质，但其他团队质疑他们的结果，因为他们无法复制。位于明尼苏达州苏丹矿的低温暗物质搜索项目目前比罗马大学探测器灵敏约10倍，但它仍然没有发现急需的粒子。
一旦在实验室中识别出暗物质粒子，就可以对其性质进行分析，并与弦理论的预测进行比较。暗物质的一个主要候选是中性微子，它是传递力的玻色子的超伴侣。弦理论预测中性微子可能在大爆炸后立即以巨大的数量产生并立即湮灭。随着宇宙冷却，轻微的偏离平衡导致产生的中性微子多于被破坏的中性微子，留下一个持续至今的过剩。最新的计算表明，中性微子的数量可能是原子的10倍。这种丰度大致与宇宙中推断的暗物质数量相符。
大多数物理学家确信我们会找到我们称之为暗物质的粒子，无论它们是否是弦理论预测的特定粒子。但是，如果与所有预测相反，没有人能成功识别出暗物质粒子呢？对于宇宙学家和物理学家来说，那将引发一场智力危机。然而，弦理论还有另一个，甚至更奇怪的解释。也许暗物质并不由我们宇宙中未知的粒子组成。也许它由存在于我们宇宙之外的粒子组成——它们只是悬浮在我们上方的一个平行维度中。
这可能听起来像是科幻小说中的解释（实际上，它确实类似于H·G·威尔斯在《隐形人》中提出的隐形原理），但它自然地出现在弦理论的高维数学中。想象一下，我们的宇宙是二维的，就像一张纸。现在再想象另一个独立的纸张宇宙，与我们的宇宙平行存在。即使它只有几英寸远，我们也会对那个宇宙一无所知。我们无法看到它，因为没有办法感知或指向通往另一个宇宙的高维方向。
如果另一个三维宇宙通过更高的维度与我们分离，即使它就在我们旁边，我们也同样无法直接看到它。一些物理学家，如费米国家实验室的乔·利肯和哈佛大学的丽莎·兰德尔，推测我们真实宇宙中的情况就是如此。爱因斯坦的广义相对论预测，来自另一个宇宙的物质的引力会泄漏到我们的宇宙中。因此，我们会感觉到我们看不见的物质的拉力——这是暗物质的另一个可能解释。这种看不见的拉力可能是弦理论预测的高维宇宙的迹象。
天文学家注意到，隐形物质似乎聚集在星系周围，形成一个直径达可见星系10倍的球形光晕。这可能是因为平行宇宙中巨大的阴影物质团块拉动我们宇宙中的物质，导致我们的星系在镜像位置形成。
目前还没有令人信服的建议来测试这个想法，但如果所有在我们宇宙中进行的暗物质搜索都一无所获，科学家们可能会被迫认真对待它。
纯数学
尽管有新的想法和实验活动，但这些测试都有可能无法找到任何支持弦理论的证据。也许只有在远高于当今技术可能达到的能量下，证据才会显现。也许直接研究弦的唯一方法是在所谓的普朗克能量下进行实验，这是自大爆炸后最初10^-43秒以来从未见过的能量水平。
对于我们这些想在死前知道答案的人来说，这是一个令人沮丧的可能性。然而，在我们急于求成的时候，我们往往会忘记，科学上许多最伟大的思想都等待了几个世纪才得到哪怕是间接的证实。1783年，天文学家约翰·米歇尔预言了一颗恒星的存在，它质量巨大，连光都无法逃脱其巨大的引力。他的预言难以接受，因为这个物体不可能被观测到。两百年后，哈勃太空望远镜积累了惊人的证据，表明黑洞是真实且普遍存在的——不是通过直接看到黑洞本身，而是通过探测环绕它们旋转的炽热气体盘。
原子理论是另一个延迟证实的例子。公元前四世纪，希腊哲学家德谟克利特预言物质由原子组成。两千多年后，1906年，物理学家路德维希·玻尔兹曼自杀，部分原因是他因相信原子而受到无情的嘲笑，因为当时没有直接证据。我们直接观察和操纵原子的能力还不到20年。
一些理论家，包括我自己，认为对弦理论的最终裁决根本不会来自实验。相反，答案可能来自纯数学。弦理论预测不明确的主要原因是该理论尚未完成。弦理论的底层数学是意大利的加布里埃尔·维内齐亚诺和日本的铃木真彦两位物理博士后在1968年独立工作时偶然发现的。此后，该理论断断续续地发展。即使是其最伟大的支持者也同意，最终版本尚未确定。一旦确定，我们或许可以对其进行数学检验。
如果弦理论是可靠的，它应该能够让我们从第一性原理出发，通过数学计算宇宙的基本性质。例如，它应该解释所有熟悉的亚原子粒子的性质，包括它们的电荷、质量和其他量子性质。学生在化学课上学习的元素周期表应该从理论中自然地产生，所有元素的性质都精确无误。如果计算出的性质与宇宙已知特征不符，弦理论将立即成为一个空洞的理论。但如果预测准确地符合现实，那将代表科学史上最重要的发现。
爱因斯坦曾说：“创造性原则寓于数学之中。因此，在某种意义上，我认为纯粹的思想能够把握现实，就像古人梦想的那样。”如果真是这样，一些富有进取心的物理学家可能最早在明天就能证明弦理论。这项理论的非凡证据可能不需要多年的努力和数十亿美元的投入。相反，它可能来自科学最基本的工具：纸、铅笔和人类大脑。
谁在推动弦理论
在其37年的历史中，弦理论已经经历了两次重大革命。第一次革命表明，弦描述了引力和粒子，并且没有数学上的不一致性。第二次革命通过增加一个第11维度统一了弦理论的各种版本。以下是许多关键研究人员中的一小部分，他们指导了该理论的发展并持续推动其前进。
加州理工学院的约翰·施瓦茨证明了弦理论可以描述量子引力，于1984年开启了第一次超弦革命。
剑桥大学的迈克尔·格林与施瓦茨密切合作，确立了弦理论作为万物理论的可行性。
加州大学圣巴巴拉分校的大卫·格罗斯在20世纪80年代中期帮助发展了“异弦理论”。他于2004年获得了诺贝尔物理学奖。
加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基指出，多维膜可以描述作为开弦群的大型物体。
普林斯顿大学的爱德华·威滕是M理论的幕后推手，该理论引发了20世纪90年代中期的第二次超弦革命。
剑桥大学的保罗·汤森与威滕一起，发展了M理论，这是一个11维模型，统一了各种形式的弦理论。
哈佛大学的卡姆兰·瓦法在1996年通过帮助利用弦理论计算黑洞熵，使其理论基础更加坚实。
普林斯顿大学的胡安·马尔达塞纳在1997年发现了弦理论与场论之间的联系，连接了量子物理学的两个分支。
