弦理论的兴衰

弦理论曾是物理学界最热门的研究。在 20 世纪 80 年代和 90 年代，它带来了看似无限的希望。该理论源于物质和能量基本由微小、振动的弦构成而非点状粒子组成的观点，它试图将所有已知的作用力统一在一个单一、优雅的框架内。一些物理学家称弦理论为长期以来一直在寻找的“万有理论”。

哈佛大学物理学家安德鲁·斯特罗明格（Andrew Strominger）是弦理论领域几十年的领导者，他回忆起早期的热情。“在其新流行的时候，”他说，“有人宣称我们已经解决了物理学中的所有问题，并且掌握了最终的理论。”

即使在 80 年代的狂热时期，斯特罗明格也知道这样的断言有些夸大。果然，多年来怀疑论逐渐渗入。至今仍没有人构思出能够明确证实或证伪弦理论的实验。这种反对可能在 2006 年达到顶峰，当时一些备受瞩目的书籍和文章攻击了该理论。但尽管弦理论已经淡出公众视线，它并未消失。“该理论仍在不断发展，并且越来越好——也越来越被理解，”普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）表示。

如今的许多弦理论家都采取了实用主义的方法，不太关注其包罗万象的潜力，而更多地关注当下。一些从业者正在将弦理论技术应用于纯数学问题，而斯特罗明格则致力于更深入地理解黑洞。其他人则依靠弦理论来解决粒子物理学和奇异物质状态计算中的意外问题。这项多元工作催生了一个新的共识：斯特罗明格说，弦理论可能不是传说中的万有理论，“但它绝对是‘某物’的理论。”

深邃的内在

斯特罗明格从来不是循规蹈矩的人。他在 20 世纪 70 年代两次从哈佛退学，分别在新罕布什尔州和中国生活在公社里，之后才重返大学，决心通过理论物理学探索宇宙。作为麻省理工学院的研究生，斯特罗明格被告知要避开像弦理论这样的高风险课题；但他忽略了这条建议。

这次冒险得到了回报。1985 年，在他获得博士学位三年后，斯特罗明格合著了该领域的一篇开创性论文——这是所谓的“第一次弦革命”的一部分。

弦理论的一个核心前提是，构成自然界最基本单元的弦在 10 或 11 维宇宙中振动。我们熟悉的三个维度加上时间共四个，这意味着必须隐藏着六个或七个“额外”的空间维度，它们收缩得如此之小以至于我们无法看见。为了重现我们观察到的物理现象，这些微小的维度必须以特定的方式“紧致化”，而斯特罗明格和他的同事们确定了这种收缩的形状必须是：一个六维的数学对象，称为卡拉比-丘空间。粒子的质量、给定力的强度以及其他基本量都取决于这个复杂空间的形状或几何结构。

弦理论家很快就有了惊人的发现。通过以特殊方式旋转卡拉比-丘空间，他们可以产生一种镜像，尽管它的形状非常不同。令人惊讶的是，这些看似不同的卡拉比-丘形状却有着隐藏的亲缘关系，都能够产生相同的物理现象。理论家将这种现象称为“镜像对称”。

科学家们很快意识到，这种新发现的对称性可以用来解决各种数学难题。1991 年，物理学家菲利普·坎德拉斯（Philip Candelas）及其同事利用镜像对称解决了一个百年难题，实际上是计算可以放入卡拉比-丘空间内的球体的数量。

数学家们也参与进来，利用镜像对称来解决枚举几何学中的其他未解问题，这些问题通常涉及计算复杂表面和三维空间中的直线和曲线。镜像对称有助于重振该领域，并且这一研究方向仍然强劲，定期举行国际数学会议。

“在过去的几年里，在用一个（尽管复杂的）公式来概括这个想法方面取得了进展，”布兰代斯大学的数学家 Bong Lian 说。“镜像对称的几何、代数和物理图景都开始汇聚。”

黑洞的启示

虽然斯特罗明格是 1996 年一篇解释镜像对称工作原理的论文的合著者，但过去二十年来，他的重点一直是用弦理论来深入了解黑洞。在一次探索这个领域时，他和哈佛的同事 Cumrun Vafa 探讨了物理学家 Jacob Bekenstein 和 Stephen Hawking 在 20 世纪 70 年代初的一个令人费解的发现。

直到那时，科学家们都将黑洞视为简单的物体——字面意义上的空间中的洞，完全由三个变量描述：它们的质量、自旋和电荷。利用广义相对论（爱因斯坦的引力理论）、热力学和量子理论，Bekenstein 和 Hawking 设计了一个公式，表明黑洞具有惊人高的熵——衡量粒子在物体内部可以有多少种排列方式。换句话说，黑洞的内部结构非常复杂；它可以拥有大量潜在的状态。Bekenstein-Hawking 公式给出了熵的一个精确数字，量化了可能的内部状态，但没有说明这些不同状态可能由什么组成。

1996 年，斯特罗明格和 Vafa 求助于弦理论来提供对黑洞的微观视角。他们提供内部视角的方式，正如 Candelas 的工作一样，类似于计算可以配置在卡拉比-丘空间内的球体的数量。而斯特罗明格和 Vafa 得出的答案与 Bekenstein-Hawking 的结果完美吻合。这对弦理论来说是一个重大的胜利，因为它能够提供其他方法无法提供的帮助——为黑洞的内部构成提供线索。

斯特罗明格继续深入研究。他和 Vafa 的工作表明，快速旋转的黑洞具有“共形对称性”，这大致意味着某些物理性质与黑洞的大小无关。斯特罗明格随后意识到，这种以前未被认识到的对称性的存在可以用来支持一系列预测。例如，他目前正与合作者一起计算从黑洞附近发出的电磁辐射强度。斯特罗明格说，几年之内，一旦被称为事件视界望远镜的全球网络投入使用，天文学家就可以通过直接测量来检验这些辐射估算。

利用最初受弦理论启发的类似技术，斯特罗明格的团队计算了当恒星等致密天体落入巨型黑洞时发出的引力波谱——这些预测可以通过计划在二十年后（或可能更早）发射的进阶激光干涉仪空间天线进行验证。斯特罗明格还认为，共形对称性的证据可能会出现在激光干涉仪引力波天文台（今年早些时候首次探测到引力波）上。他说，很快，天文学家可能会淹没在他们无法完全解释的数据中。“我们希望利用弦理论的思想来阐明其中的一些问题。”

新的微积分

与此同时，其他物理学家正在将弦理论方法应用于他们对极端物质状态的研究——从粒子对撞机中产生的极热等离子体到在接近绝对零度的温度下在实验室中制造的材料。

伦敦大学学院的物理学家安德鲁·格林（Andrew Green）研究超低温下出现的奇异物质相，他从未想过会涉足弦理论，但发现它非常有价值。他说，虽然它可能无法提供一个全面的现实理论，“但它促使开发了一套新的数学技术，这些技术在物理学的广泛领域中都很有用。”

他补充说，其中许多方法都涉及高维几何，“这让你能够对以前的代数表述绘制几何图。”格林称弦理论为“新的微积分”，并表示其思想最终将成为理论物理的标准工具集。

斯特罗明格也表示同意。虽然物理学家可能在 30 多年前没有偶然发现最终的万有理论，但他认为弦理论是“一个起点”，一个万有理论可能仍然从中出现的起点。无论这个探索结果如何，它已经是一种经过验证的工具，暗示着“看似无法调和的事物如何能够契合在一起”。随着新应用的不断探索，很明显，弦理论不是过时的。