万物隐藏在怎样的小宇宙里？这是爱因斯坦在生命的最后30年里，一直追寻的问题。他希望能找到一个包罗万象的理论，统一引力、电磁力、强力、弱力这四种自然力，描绘一切现有的物理规律。很可惜，爱因斯坦并没有成功。至今为止，当代物理学还是建立在两套支柱理论——广义相对论和量子力学——之上。是的，望子成龙的家长们已经开始给3岁宝宝买广义相对论和量子力学的读物了但问题是，这两大支柱理论在极端情况下出现了不可调和的冲突。这就意味着，物理学家们必须找到一套更高层的理论，来调和二者的之间的冲突。那么，到底什么是弦理论呢？凭什么说它有可能成为大一统理论？在了解弦理论之前，你需要以最简单的方式，来了解一下当代物理学的两大支柱理论：广义相对论和量子力学——别担心，下面的内容很通俗，你一定能看懂。先来看看广义相对论。物理学家恵勒曾经用一句非常简洁的话，概括了广义相对论的核心内容：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动”。在普通人看来，空间是看不见摸不着的。但在广义相对论中，空间相当于一张巨大的、平滑的、有弹性的膜。假如我们把一颗球放到这张巨大的膜上，膜就会凹下去。凹下去的膜就相当于空间
在这个比喻中，膜就相当于空间，球就相当于太阳、地球这些星球。球这样的物质放到膜上，就会让膜变形，球越重，膜弯曲得就越厉害，这就叫“物质告诉空间如何弯曲”。而当空间这张膜弯曲以后，它也会反过来影响球的运动轨迹，这就是“空间告诉物质如何运动”。在广义相对论中，引力的本质，就是这种空间的形变影响了物质的运动。这张动图是对广义相对论最直观的展示
现在你知道了，在广义相对论中，空间就相当于一张膜。请记住：这张膜是非常平滑的。可能你听说过一个理论，叫做“海森堡测不准原理”，更准确的说法，叫做“不确定性原理”：一个粒子的位置和速度，不可能同时被确定。如果它的位置越确定，那速度的不确定性就越高；如果速度越确定，那位置的不确定性就越高。这位就是海森堡了。微博大V @河森堡 说，他很崇拜海森堡，觉得他的知识就像大海一样渊博，而自己的知识相比之下只能算是一条小河，所以ID叫河森堡~
举个例子。假如你把一个电子装进一个盒子里，然后把这个盒子慢慢往里挤压，越挤越小，这时候，电子在位置上的确定性就变高了。但此时你会发现，电子的速度会变得越来越不确定：它会在盒子里疯狂冲撞，行动轨迹越来越难以预料。不光微观粒子的位置和速度之间存在着关系，能量和时间之间，同样存在着不确定性关系：如果考察时间足够短的话，那粒子的能量就会在短时间内疯狂地涨落起伏。根据不确定性原理，即使是看似什么都没有的一片空间，如果我们把视野缩小，就会发现那里也有大量的活动。所以在量子力学里，宇宙在微观尺度上是一个混沌的、疯狂的世界。引力场在微观尺度上也会因为量子涨落而波荡起伏，而且我们关注的空间越小，这种起伏就越大。好，还记得前面讲过的广义相对论吗？在广义相对论中，空间是平滑的。而在量子力学中，空间在微观尺度上是剧烈涨落的，根本就不是平滑的。所以在超微尺度上，相对论和量子力学冲突了。在量子理论中，空间在微观上是剧烈涨落的。但在广义相对论中，空间是平滑的。
这个冲突，就是弦理论诞生的背景，也是弦理论需要解决的问题。在我们的认知中，宇宙是由点状的粒子——比如电子、质子——组成的。但弦理论认为，如果我们把这些基本粒子放大，用目前还达不到的超高精度去观察它们，就会发现，这些粒子的本质，其实是一根根小小的弦。每个粒子，都好像是一根无限细的、一维的橡皮筋，在不停地震动。宇宙就是由这样一根根震动的弦组成的。好吧，反正我们也观测不到，就算宇宙真是弦组成的，那又如何呢？之前说过，在广义相对论中，空间是光滑的。但在量子力学中，空间在微观上是剧烈涨落的。而弦理论就可以缓和广义相对论和量子力学在超微尺度上的对立。先来看个形象的例子。假如你用手去抚摸一块精心加工过的花岗石，会感觉它特别光滑顺手，毫无瑕疵。但如果你用放大镜去观察它的表面，就会发现它凹凸不平，有许多颗粒和坑洞，只是它们太小，用手根本感觉不到。在这个例子中，花岗石表面的小颗粒已经超出了手的感知范围，对于手来说，它是没有意义的。同样的道理，如果我们把手换成弦理论中的弦，那就意味着，如果一个东西比弦还小，就不会对弦产生影响，对于弦来说它就是没有意义的。我们之前说过，量子力学和相对论的冲突，是在超微尺度时才发生的。但实际上，在这么小的尺度下，无论发生怎样的量子涨落，空间里有怎样的滔天巨浪，都影响不到弦。既然影响不到整个宇宙中最小的基本单位，就更影响不到其他的各种事物了，所以我们根本就不用管量子力学和相对论的冲突，问题就这么解决了。你肯定在想，这是在耍花招，这不是解决问题，而是在逃避问题。还真不是。因为我们想象的这种冲突，本来就是在粒子理论（标准模型理论）的基础上才会产生。但如果我们换一套理论，把粒子换成弦，那这个问题在一开始就压根不会出现。所以目前看来，弦理论或许可以提供一个大统一的框架，有可能成为解释万物的终极理论。当然，它仍然只是个处于科学前沿的假说而已，但假若弦理论有一天真的被证实，那我们就可以说，万物真的隐藏在一根根弦组成的小宇宙里了。以上这些内容，都整理自《宇宙的琴弦》这本著名的弦理论科普作品。在柴柴看来，这本书是弦理论领域最好的科普作品之一。它的作者布赖恩·格林（Brian Greene），是牛津大学的物理学博士，哥伦比亚大学的数学和物理学教授，同时也是站在弦理论研究最前线的顶尖科学家，被华盛顿邮报称为“世界上最擅长解释深奥思想的人”。
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