它是继相对论和量子论之后物理学中最具革命性的思想。 但她说的是实话吗？

文章作者 教授。爱德华·维滕 (1987)

从艾萨克·牛顿到阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔，理论物理学的杰出人物都试图寻找自然基本力之间的联系。如今，爱德华·威滕是该问题最有前途（也最有争议）的解决方案之一——弦理论的主要支持者。弦理论是一种宇宙的数学表示，它不是由台球状的物质粒子构成，而是由在十个维度振动的微小圆弦构成。

如果正确的话，这个理论有可能为宇宙中的一切提供单一、一致的解释，从原子内部的机制到宇宙的结构。但科学家们可能需要一生的时间才能发明出检验这一理论的方法。

在本文中，K.C.科尔描绘了一位极其有才华的物理学家在数学和物理的边界上辛勤工作的肖像。 <<相信自己所做的事情非常重要<<，爱德华·维滕说。 <<然而，当一切都充满猜测时，很难保持信心。

你学到的教训之一就是不要放弃好主意——但你怎么知道它们是好主意呢？

K. C. Cole 在 Omni 和《纽约时报》杂志上发表了大量文章，并且是题为《交感振动：对物理学作为快乐生活的反思》一书的作者。

最近，她受科学技术中心协会委托进行了一项研究，重点关注妇女和少数民族成员在科学领域的工作。

他迈着大步、坚定的步伐在房间里踱步，像指挥一样进行演讲，粉笔在黑板上的“拉塔塔塔塔”声听起来就像他有时几乎难以察觉的高音调的对位。他谈到 “向量丛”、“琐碎模块”和“自由圆形空间”。 有一次他停下来说了以下的话： “到目前为止，我们一直生活在一个有限维度的世界。现在我邀请你翱翔到一个无限维度的世界»。

老师是来自新泽西州普林斯顿高等研究院的 Eduard Witten。

36 岁的威滕是当代最杰出的物理学家之一。他目前在纽约哥伦比亚大学数学系讲授物理学在数学中的应用 «!» 数学“一门处理抽象、无形关系的学科”一直是物理学的有用工具 “一门处理现实世界的具体力量和物体的学科”。 威滕将一切颠倒过来，试图证明物理学如何能够促进对数学的新见解。

“急于与爱因斯坦进行比较是不可取的，”普林斯顿大学物理学院的一位教员说道，“但当谈到维滕时”他张开双臂，做出了一种无助的姿态。 “他遥遥领先于其他人。它引导了一群人走上了新的道路，创造了全新的领域。他展示了优雅而令人敬畏的证据，令人惊叹不已”。

威滕似乎总是无处不在，发表关于宇宙学、数学和物理学各个方面的科学报告和讲座。每当他讲话时，物理学家们都会全神贯注地听。

他们的注意力可能从未像几年前那样大，当时威滕试图认真对待一个看似奇怪且长期被遗忘的理论，该理论从根本上改变了我们对物理普遍性的概念。尽管很难具体指出是什么使威滕成为物理学界的一股力量，但他对这一有争议的理论的热情使他成为了这一思想的最重要推动者，这一思想可能是过去 5 年来物理学界出现的最具革命性的概念——威滕声称，就像相对论和量子理论一样具有革命性。

如果这个理论是正确的（维滕相信它的有效性最终可能会被证明），它可以为自人类文明诞生以来哲学家、诗人和神学家们提出的基本问题提供全新的答案：为什么宇宙是这样的，物质的起源是什么？

《弦理论》 ，或通常所说的“弦理论”（一些学者称之为“sueprstring理论”）， 它消除了众所周知的宇宙由台球等粒子组成的形象，这些粒子被重力和电力等众所周知的力排斥和吸引。 在本世纪的第三个十年，量子理论已经揭示，台球具有某些奇怪的特性，使它们类似于波——它们是振动而不是空间中的定义点。现在， 弦理论假设这些点实际上是微小的圆圈，或闭合的“弦”。琴弦在微妙的共鸣中无形地振动。根据该理论，这些振动构建了宇宙中的一切——从光到萤火虫，从重力到黄金。

当然，这些绳子是看不见的，也不能比作吊袜带或绳子。由于它们无法用当今科学可用的任何手段检测到，因此它们是数学曲线。谈论弦，就像谈论台球或波浪一样，是尝试用已知术语理解未知事物的简单方法。事实是，物理学总是不得不诉诸隐喻。 “说到原子，”量子理论之父、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔曾经说过，“语言可以用在诗歌中。诗人对创造图像比描述现实更感兴趣。”

物理学家分解了原子，首先发现了电子、质子和中子，然后发现了更奇特的元素，例如中微子和所谓的夸克。他们发现了核力、重力和电磁力如何从这些粒子中构建分子和星系。但是，除其他外，没有人知道为什么电子存在或为什么粒子会受到重力的影响。据其追随者称，弦理论有潜力为一切事物提供单一、一致的解释，从单个原子的内部机制到宇宙的结构。

不幸的是，弦理论存在一些科学家认为的重大缺陷。只有当我们愿意放弃认为物理世界是由四个众所周知的维度（高度、长度、宽度和时间）定义的观点，并假设存在其他六个隐藏维度（总共十个维度）时，数学一致性才具有如此引人注目的意义。

想象一下由一种或另一种基本物质组成的闭合弦——一个圆。

然后想象一下，圆不仅在三个通常的空间维度（加上时间维度）上旋转、扭曲和振动，而且还在我们无法感知的其他六个维度上旋转、扭曲和振动。

这个圆圈以无数的音调振动，就像一根十维小提琴弦发出宇宙版本的降A或E调。如果弦理论是正确的，这些振动可能决定宇宙中所有可能的粒子和力。

如果你要求他给你一个更清楚的解释，维滕会微笑并耸耸肩。 “没有人比我现在向你解释的方式更能理解这一点，”他说。

十维系统根本不困扰维滕：“这些增加的维度并不比物理学家思考的许多其他事物更奇怪。”然而，十维宇宙的概念以及缺乏任何可以在这个意义上提供证据的实验数据使得许多物理学家采取了非常怀疑的立场。

显然，弦理论有很多东西需要解释。例如，她必须解释六个附加维度如何保持不可见。这一理论的拥护者想象这些维度被紧紧地“包裹”在比原子核小数十亿倍的尺度上。然而，他们不知道为什么或何时六个维度结束。其中一些科学家认为，它们很可能在数十亿年前没有与物理宇宙的其余部分一起膨胀。

这些疑虑丝毫没有削弱维滕的信念。 “对弦理论的正确理解很可能会导致时空连续性的瓦解，”他说。 “弦理论毕竟是一个奇迹”。

威滕从普林斯顿大学毕业几年后就开始获得大学教授职位，并在 28 岁时被聘为教授。他曾获得世界各地机构颁发的许多奖项，包括麦克阿瑟基金会的“天才奖”以及最近的美国国家科学基金会杰出青年研究员奖。

在物理学中，寻找明确解释的努力总是显而易见的，物理学向前迈进了一步，发现表面上不同的现象实际上是单一现象的各个方面。例如，牛顿的伟大发现是，导致苹果落到地面的同一力使月球保持其地球轨道，使地球保持其太阳轨道。长期以来，人们认为磁、电和光之间没有联系，直到 19 世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和迈克尔·法拉第发现它们都是电磁力的表现形式。 相对论源于爱因斯坦调和电磁学与经典力学的努力。

最近，物理学家热衷于尝试统一自然的基本力——重力、电磁力、“强”力（确保原子核中粒子的凝聚力）和“弱”力（它决定放射性、原子核自发解体导致能量发射等）——或者发现它们之间的联系。

电磁力、强力和弱力以及宇宙中存在的所有已知粒子都可以根据量子理论进行解释，维滕将其称为“魔法”。这一理论开创了整个科学研究领域，威滕本人在其中做出了许多重要贡献。根据量子理论，一切都是能量场相互作用的结果。场振动，但不仅以与一定量（因此称为“量子”）能量相对应的特定模式或共振。这些共振是自然宇宙中已知的粒子和力量，事实上，物理学家使用巨型加速器粉碎原子并找到组成它们的粒子，有时将他们的工作称为“共振狩猎”。

量子理论成功地阐明了许多现象，并促进了对亚原子过程的理解，这一事实导致了从激光到半导体的许多奇迹的产生。然而，量子理论无法解释引力。试图将重力纳入这一理论框架的数学计算给出了无用的结果。

然而，引力与宇宙中存在的所有类型的能量相互作用，甚至光线也会受到它的影响。因此，引力必须符合同样的自然定律。但这些法律是什么？

爱因斯坦长期以来一直试图在引力和电磁学之间建立联系，以便他仍然可以在一个单一的“统一理论”中解释整个自然系统。他没有这样做。然而，1919 年，爱因斯坦收到了一位德国物理学家西奥多·F·E·卡鲁扎 (Theodor F.E. Kaluza) 的来信，他认为电磁力可以理解为重力在第五维度的表现。卡鲁扎没有解释为什么第五维度无法被感知。然而，1926 年，瑞典数学家奥斯卡·克莱因 (Oskar Klein) 认为这是因为第五维存在的尺度如此之小，以至于它不会影响任何事物，甚至不会影响亚原子粒子的大小。

时间弦理论是卡鲁扎-克莱因理论的一个新的、更复杂的版本。就像克莱因假设的第五维一样，弦理论假设的六个附加维度已经“收缩”，不知何故达到了不可见的程度。弦理论声称，如果我们接受这六个隐藏维度的概念，那么阻碍先前调和量子理论与引力的尝试的数学不一致就会奇迹般地消失。

然而，我们不能确定弦理论是否真实地代表了现实。除了数学上的一致性之外，没有证据表明六个附加维度的存在。然而，威滕指出，在过去的一百年里，数学一致性一直是“物理学家最可靠的指南之一”。

在某种程度上，理论家的世界根据定义就是个人的世界。这项工作不需要试管或实验室、回旋加速器或大容量电子计算机，只需要铅笔和纸，有时甚至不需要这些。尽管威滕的学生中包括一些正在攻读研究生的学生，但他不愿让他们参与他的项目，其中学术思辨发挥着重要作用，因为他说，他不想危及他们的职业未来。

听威滕谈论他自己的职业生涯，你可能会相信成为一名物理学家几乎是司空见惯的事情。尽管他的父亲路易斯·维滕是一位专门研究重力的物理学家，但他表示自己并没有在很大程度上受到家庭的影响。 “我正准备做其他事情，”他解释道。

威滕在巴尔的摩长大，毕业于马萨诸塞州布兰代斯大学，获得历史学位，尽管他的主要兴趣是语言学。在普林斯顿大学开始研究生学习之前，威滕撰写的文章发表于 国家，，，， 新共和 和其他杂志。 1972 年，他作为一名顾问的立法助理，为总统候选人乔治·麦戈文的竞选活动工作了六个月。维滕今天声称，他不具备从事广告或政治职业所需的素质，尤其是“现实感”。当他开始在普林斯顿大学学习时，他非常接近选择数学，然后才决定选择物理。

威滕的同事们在谈到他的优点时对他更加慷慨，尤其是他对当今弦理论受到关注的贡献。

物理学家并没有试图发展这个理论，也没有过多关注卡鲁扎-克莱因理论。发生的事情是，他们在黑暗中偶然发现了它，之后他们不断地尝试赋予它精确的形式。 “我认为没有哪个物理学家有足够的洞察力来故意发明弦理论，”威滕说。 “幸运的是它是偶然发明的”。

1968 年，意大利物理学家加布里埃尔·韦内齐亚诺 (Gabriele Veneziano) 在研究强力（将原子核粒子结合在一起的粘合剂）时，偶然发现了维滕所说的“一个具有一些奇怪性质的公式”。几年后，由于芝加哥大学的南部阳一郎和其他人所做的研究，物理学家“意识到这个奇怪的公式定义了某些弦的振动”。

多年来，弦理论引起了人们的广泛兴趣。然而，到了上个十年中期，它已基本上被放弃，部分原因是其他思想途径似乎更有希望，部分原因是该理论暗示了不可接受的附加维度想法的谬论。

“当他们意识到这只有在 10 维框架中才合理时，”威滕说，“大多数物理学家离开了这个领域。”他自己对这一理论的兴趣主要是由物理学家约翰·H·施瓦茨 (John H. Schwarz) 所做的研究引起的。 加州理工学院 和迈克尔·B·格林（Michael B. Green） 玛丽皇后学院 来自伦敦。威滕回忆说，为了让自己了解这一理论，他付出了“几个月的努力”。 “这与任何人以前见过的都不一样，”他补充道。 “没有人给你鼓励。”

施瓦茨和格林在本世纪初发表的一系列报告似乎重新燃起了人们对弦理论的兴趣。 1984 年，他们发表了一份重要报告，根据诺贝尔奖获得者、德克萨斯大学物理学家史蒂文·温伯格的说法，该报告回答了威滕也提出过的问题。

这个问题涉及试图将引力与量子场论结合起来的理论中出现的异常现象。就理论而言，异常现象是指产生荒谬结果从而毁灭理论的缺陷，维滕和哈佛大学的路易斯·阿尔瓦雷斯-高梅一样发现了一类新的异常现象。与此同时，他展示了一件更重要的事情（……）

弦理论假设，如果我们能够看到宇宙的十维整体，就会出现一种新的对称性，所有的力和粒子都会在我们看来作为一个连贯整体的各个方面。

层认为异常的起源是拓扑学的，换句话说，它与在四维存在时不出现但在十维存在时出现的几何性质有关。

威滕将拓扑学视为“心理结构”，拓扑学研究不同维度中扭曲或变形的几何图形的属性。一想到拓扑学可能不为专家所知，他就感到惊讶。 “这就像说他们不知道如何用散文说话一样，”他借用了莫里哀的一​​个笑话说道。例如，带有别针的杯子在拓扑上相当于椒盐卷饼。如果杯子是用软粘土制成的，则可以将其重新塑造成椒盐卷饼形状，而不会破坏材料。 “这很明显，”威滕说。 “当你打破物体时，物体的某些属性会发生变化，但当你通过弯曲改变物体的形状时，它们不会改变。”然而他承认，过去连物理学家都没有认真对待拓扑学。”

威滕非常重视拓扑学，因为现实世界是否可以用弦理论解释的问题不仅取决于附加维度的存在，而且还取决于它们在空间中呈现的形状——例如，它们是管子的形状还是百吉饼的形状，或者它们是否是球体。

在《平面国》中，著名的维多利亚科幻小说作家埃德温·阿博特雄辩地证明，在一个维度中显得令人困惑和晦涩的东西在另一个维度中可以变得晶莹剔透。在他假设的二维三角形和正方形的世界中，三维球体是一个难以理解的物体。当它穿过这个平坦的空间时，球体首先表现为一个点，然后变成一个扩大的圆，最后再次收缩为点形式并消失。二维生物只能看到一个二维的物体。只有三维观察者才能从视觉上感知整个球体。

弦理论假设，如果我们能将宇宙视为十年的整体，就会出现一种新的对称性，而令人困惑的众多力和粒子将被证明只是同一连贯整体的不同方面。

不幸的是，十维空间固有的这种诱人的对称性并不容易转化为四维粒子和力。它的感知需要极其微妙的数学工具，这些工具可能还没有被发明出来。

几年前，威滕与一位同事进行了一次谈话，这次讨论给他留下了深刻的印象。 “他谈论的是一位非常有才华的物理学家，但他的生产力并没有达到他应有的水平，”威滕解释道。 “他的观点是，原因是这位物理学家从来没有研究过他真正适合解决的问题。”威滕非常认真地对待他同事的话所暗示的建议。 EI 认为自己是“解决物理问题并根据一些奇怪的数学运算找到解决方案”的合适人选。 “弦理论，”他继续说道，“需要大量新的数学知识，而将奇异的数学应用于物理学是我的专长。”在最后几场！年。

威滕声称自己是物理学家和数学家新联盟的主角之一，这个联盟是由弦理论建立的。 “我认为他是第一主角”，麻省理工学院数学教授 I.M. Singer 说道，“他的直觉非常棒。”威滕本人认为他最重要的一些贡献是对数学的贡献，而不是对物理学的贡献。

人类在理解宇宙方面取得的大部分伟大进步都归功于物理学和数学之间的密切联系。牛顿必须发明一种新型数学——微分和积分——来完成他的引力理论。爱因斯坦的广义相对论基于德国数学家 F.B. 发明的弯曲空间几何学。 19世纪中叶的黎曼。量子理论需要一种称为“泛函分析”的工具。

威滕说弦理论“把我们带到了数学的前沿”。然而，这并没有吓倒他们。 “我意识到我实际上可以扭转一切。”他补充道，并在物理学的帮助下获得一些关于数学的令人惊讶的见解”。

物理和数学的新结合第一次让物理对维滕来说变得非常困难。这也是他接受邀请到距离普林斯顿大学仅一箭之遥的著名高等研究院工作的原因之一，在那里他不必履行主席的职责。 “我想在更少的事情上更集中地工作，”他承认。威滕目前正在研究的所有“事物”都是弦理论的各个方面。

威滕的结论目前无法在实验室得到验证，在可预见的未来也是不可能的。事实上，他所做的一切都与可观察到的现实相去甚远，以至于他的理论见解的价值及其最终的实际应用可能需要一生或更长时间才能为人所知。理论物理学是一项有风险的事业。 “相信自己正在做的事情非常重要，”威滕说。 “然而，当一切都充满猜测时，很难保持信念。”

“你学到的教训之一是不要犯错误，但这对你没有多大好处。另一个教训是不要放弃好的想法，但你怎么知道它们是好的？”

威滕指出，中子星和引力透镜——外太空中存在的大量物质，从地球上观察时，会产生恒星的双重图像——在它们被真正发现之前，一直被认为是幻想的概念、纯粹的猜测。 “科学史上充满了新想法的有效性永远不会被证明的预测。但物理学史表明，好的想法最终会被证明是正确的。”

威滕认为弦理论好得令人难以置信。它看起来困难和复杂，只是因为它还没有被充分理解。根据威滕的说法，弦理论目前是： “本来属于21世纪的物理学，一不小心就掉到了20世纪。” 今天的物理学家只与 “与等待我们的盛宴相比，只是一些面包屑”。

然而，威滕有时担心困难太大。 “这个理论在未来几年内引导我们走向任何地方的可能性不是很高”，他承认， “但如果我不尝试，我就会感觉我的洞察力已经离开了我”。

日内瓦欧洲核研究中心理论物理学专家之一约翰·埃利斯最近写道： “弦现象学仍然是一门年轻的学科。有许多悬而未决的问题和技术问题，很容易嘲笑这一理论的推动者的极权主义热情。然而，引用几年前我拆开的糖果包装纸上写的一句话，“只有乐观主义者才能在这个世界上取得任何成就。”

或者，用维滕的话来说： “如果我们要证明弦理论，我们可能需要运气。但在物理学中，有很多方法可以让我们变得幸运。”