本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
弦理論 VS M理論：解釋宇宙的對決
在弦理論中，微小的弦取代了傳統的亞原子粒子。(圖片:米歇爾·泰勒 | 示意圖)
保羅·M·薩特是俄亥俄州立大學的天體物理學家、《向太空人和太空電臺提問》的主持人、《你在宇宙中的位置》的作者。薩特將這篇文章貢獻給了Space.com特約的專家之聲：觀點與見解。
在20世紀90年代早期，弦理論陷入了理論困境。幾十年來，理論家們一直全心全意地相信構成現實的基本構件是微小的、振動著的弦。這是一個潛在的具有革命性的想法，它能夠把自然界所有的力和物質所有的構件結合成一個單一而和諧的畫面。
然而令人疑惑的是，弦理論的五個模型，每一個看起來都與其他的截然不同。究竟哪一個才是正確的呢?
弦理論的五個模型
這五種不同的弦理論有一些共同點。首先，它們都涉及弦，也都要求我們的宇宙有10個維度：通常是3個空間維度，1個時間維度，還有6個更袖珍的維度——它們很小，以至於在亞微觀的尺度上捲曲在一起。
在這幾個理論中，弦振動的方式極大地豐富了我們的物質世界，從自然的力量到物質的構成，再到物理常數本身。但涉及到物理理論時，每個弦理論的細節就變得很重要，而這五種相互競爭的弦理論模型在細節上有所不同。一些理論只有閉合的弦環，而另一些理論則允許開放的、擺動的弦；一些理論只允許振動沿弦的一個方向傳播，而另一些則允許沿兩個方向傳播；有些理論則是其他理論的結合。
如果你好奇的話，這五種弦理論的名字分別是:1型，IIA型，IIB型，雜交 SO(32)型和E8×E8弦型。
很顯然，它們不可能都是對自然的正確描述，但哪一個是「真正的」弦理論，哪一個又是假的呢?這個問題時至今日依然在爭論，因為現在的弦理論並不完整，也沒有所謂的弦理論的最終方程，沒有那種可以印在t恤上的存在，更沒有和我們描述愛因斯坦引力方程或麥克斯韋電磁方程一樣的確切方法。
我們只有一個近似的值，我們希望它接近實際理論值——但這無法證明。這五種弦理論模型代表了五種不同的近似值，我們目前無法判定哪一種是最好的。
命運的二象性
1995年，著名理論物理學家愛德華·威騰在年度弦理論會議上發表了演講。在演講中，他提出了一個新奇的觀點，他認為這五種弦理論也許並沒有那麼大的差異。
事實證明，這五種弦理論之間存在著有趣的聯繫，被稱為二象性或對稱性。例如，對於弦來說，我們不知道它們之間的相互作用有多強，但是如果採用1型弦理論來增強它們的相互作用強度，最終你會得到弱化版的雜交SO(32)型。
又比如說，有時候弦以一定的動量圍繞一個很小的、捲起來的維度旋轉一定的次數，但是它旋轉和動量的二象性會快速翻轉。這種二象性將IIA型和IIB型弦理論聯繫了起來。
這些二象性表明這五種弦理論在某種程度上都是相關的，而且都在探索著更深層次的東西。這些東西可以通過所有的二象性進行推測。通過嘗試推測五種弦理論中的二象性，有時你會得到另外五種理論中的一種，有時你會得到新理論的二象性。
什麼是「新理論」?愛德華·威滕建議稱其為「M理論」，並對「M」進行了解釋，例如，「母親（mother）」、「神秘（mystery）」或「膜（membrane）」，有助於我們真正地理解何為「M理論」。
巨大的膜
M理論就像一個弦的超級理論，它認為五種弦理論實際上只是一個更大、更神秘的理論的一角。我們過去認為這五個弦理論就像獨立的行星，而我們的理論和數學探索局限在各個行星的小島上。但是M理論揭示了這些島嶼實際上一直存在於同一個更大的行星上。
對於我們知之甚少的M理論來說，它有一個奇怪的特徵——即我們所認為的弦理論似乎只是真實情況的一種低能量的近似值，宇宙中其實有11個維度，而不是10個。
更重要的是，現實的基本構成不再是弦，而是d膜。「膜」只是用來形容多維振動物體的一個花哨的詞，字母「d」表示維度（dimension），我們的一切從1膜(線)到2膜(面)到3膜(體)甚至更高的維度。
大多數情況下，這些膜是低維的，基本上和像弦差不多，而第11個維度在宏大的宇宙交響樂中扮演的角色並不多。
除此之外，人們對M理論知之甚少。弦理論家通常在上述五種常見的弦理論框架內工作，因為這些理論已經被研究了幾十年，額外的維度和膜的引入使得弦理論已經很繁複的數學運算變得更糟。儘管如此，理論家們仍在理論的邊緣地帶繼續探索，他們希望有一天能給M理論中的「M」取一個全名。
作者： Paul Sutter
FY:平陸成漿
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處