物理学家探索“终极”理论（下）

弦论的提出与发展
弦论最早是在６０年代末７０年代初提出的，当时是想用它解释强作用力
，但没有成功。后来提出的量子色动力学（ＱＣＤ）成功地解释了强作用力，
并被纳入“标准模型”。“标准模型”是一系列量子理论的集合，对强作用力
、弱作用力及电磁作用进行了统一的描述，但是对引力的解释却仍然没有着落
。
不过并不是每个人都对弦论感到绝望。７０年代中期，施瓦茨和约埃尔·
舍克两位物理学家设法把弦论的一个破绽变成了一个优点：或许方程中始终存
在的引力子并非出于偶然。或许他们所看到的并不是强作用力的模型，而是引
力的模型──一种以公式表达爱因斯坦相对论的新方法。如果引力可以用弦
论来解释，那么也许其他的作用力也可以用这一方式重新表达。这样，所有的
作用力就会统一在同一个理论体系下。
在此前后，从事弦论研究的物理学家发现，他们可以把这一理论所需的时
空维数从原先的２６个减少到１０个。在这一过程中，当弦论被赋予一种叫做
超对称性的假定性质时，它的名字便变成了超弦论。超对称性是指运载力的粒
子（如胶子）和构成物质的粒子（如夸克）紧密地结合在一起。
１０个维对于物理学家来说仍嫌过多。利用这么多的维，看来物理学家有
可能构造出数目无限的各种１０维弦论假想。他们又如何知道其中哪一种假想
可以对宇宙作出解释呢？弦论研究在８０年代中期（第一次革命）取得了重大
突破。当时，物理学家证明了在所有可能的弦论假想中，只有５种在数学上是
站得住脚的，其余的因种种漏洞而不攻自破，但即使这样也还是多出了４种假
想。更糟的是，要想把６个额外的维“卷起来”，以便得到描述４维世界的假
想，其方法仍然有成千上万种之多。
少数弦论研究者仍然顽强地保持着乐观。弦论界新秀爱德华·威滕浪漫地
称这门学科“本应属于２１世纪的物理学，却意外地掉到了２０世纪”。在经
过很长一段时间的埋头研究后，他们迎来了９０年代中期的第二次革命。他们
发现，在众多掩盖多余的维的方法之间，存在着密切的联系。那５种１０维弦
论假想实际上只是从不同角度表述的同一种基本的１１维假想。
高级研究所的理论物理学家西伯格说：“这让我想起了盲人摸象的故事。
我们以前总是考虑不同的侧面，却看不到全局。”
在把众多的假想汇集成为一种假想的过程中，物理学家们意识到，他们的
方程所描述的世界不仅是由弦、而且是由薄膜状的东西所组成的。这种薄膜状
的东西叫做ｐ—膜（ｐ表示维数）。人们通常想到的薄膜是延伸于三维空间内
的二维表面（就像床单）。这种情况现在被称为２—膜。点是０—膜，线是１
—膜。依次类推，便可以得到３—膜、４—膜、５—膜，一直到９—膜：即伸
展于１０维空间内的９维表面。
以１９世纪数学家狄利克雷姓氏的首字母命名的Ｄ—膜是一种特殊类型的
膜，它对于Ｍ理论尤其重要。Ｄ—膜（也多达９维）是指那些上面的弦会出现
中止的面。现在Ｄ—膜被看作是至少与弦同样重要的基本实体。
所谓的“马尔达塞纳”数学之舞把弦论和量子论拉到了一起，这中间Ｄ—
膜起到了不可或缺的作用。马尔达塞纳利用Ｄ—膜，在常规的４维条件下提出
了一种类似于量子色动力学的量子场论。他还利用Ｄ—膜提出了一种１０维弦
论（其中的５个维被“卷起”隐藏），而弦论本来就可以解释引力。因此，当
马尔达塞纳证明这两种理论存在着密切关系的时候，物理学家们兴奋难耐。现
在离实现所有４种作用力的统一或许更近了一步。
马尔达塞纳推测的基本思想是：弦论所描述的时空的曲率相当于是场论中
颜色的数目；颜色越多，则曲率越小。在两个不同的理论物理的世界中，人们
或许已经意外地发现了一座桥梁。
马尔达塞纳的研究还支持了一项新出现的热门理论。这项新理论认为，宇
宙相当于是全息成像的产物。在激光全息摄影术中，三维的物体被投射到二维
的平面上，同时保留原物影像的丰富信息。在马尔达塞纳的模型中，４维的场
论可以被想象成为５维的弦论（不要忘记，另外５个维被“卷起”并隐藏起来
）的全息投影。在全息的宇宙中，某一体积空间内所有事物的信息会以某种方
式显示在其表面。这一概念的诡谲含义才刚刚开始显露。（下）