20世纪上半叶物理学发生了两次重要科学革命:相对论和量子力学。20世纪60年代末发现的弦理论经历“超弦理论”和“M-理论”的两次科学革命后,由最初少数人知晓的弦理论而发展成为今天广泛关注的理论,并被誉为20世纪末的第三次物理学革命。它将从根本上解决量子场论中的无穷大、粒子物理标准模型中的夸克禁闭和任意参数过多等一系列问题,从而有可能完成爱因斯坦花费三十多年心血而未能实现的物理学的大统一理论。
弦理论起源于20世纪60年代物理学上的粒子物理时期,当时关于强相互作用的一系列实验表明存在许许多多的强子,随着能量的增大,它们的质量与自旋度越来越大,越来越高。这些粒子绝大多数处于不稳定状态,这种状态叫作共振态。当大量的粒子参与强相互作用时,共振态粒子与粒子散射振幅满足一种奇特的性质,叫作对偶性。当时许多物理学家都在寻找描述强相互作用粒子相互作用的数学函数。1968年,一个在麻省理工学院工作的意大利物理学家威尼采亚诺十分偶然地翻了翻数学手册,发现一个简单的函数———欧拉贝函数,它满足这种对偶性,这就是弦理论中著名的威尼采亚诺公式,它是18世纪数学家欧拉建立的数学函数。但当时还没有粒子物理实验完全满足这个公式,然而很快人们发现这个简单的公式可以自然地解释为弦与弦的散射振幅,因而物理学家把这个公式用于描述粒子与粒子散射振幅的理论称之为弦理论。该理论的建立与以往物理理论的建立是完全不同的,一个物理理论形成的经典过程是从实验到理论。
20世纪的物理学是建构在其上半叶完成的两根支柱上的:一根是狭义相对论和广义相对论,另一根是量子力学。经过人们的努力,量子力学与狭义相对论成功地结合成量子场论,这是迄今为止最为成功的理论。量子场论描述微观世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系统要么利用量子场论,要么求助于广义相对论,不会交叉动用这两个不同的理论体系。但是,的确存在一些极端物理情景既涉及巨质量(需要广义相对论)又牵连极小距离尺度(需要量子场论),典型的例子就是所谓的时空奇异问题,包括黑洞的中心点、大爆炸前的宇宙状态等。这类体系的正确理解必须建立在一个广义相对论与量子场论相互协调的框架,换句话说就是需要量子引力理论。于是,有人试图把量子力学应用到引力场中去,来建构量子引力场论。
在量子场论中紧化圈问题可以通过一种简单的系统的数学程序———重正化的方法解决,从而得到有意义的答案。不幸的是这个方法不适用于量子引力场论,在量子引力场论中,紧化非常困难,紧化通常会在物理计算过程中产生无限多的无意义答案。
解决这个危机,构造新的理论的方案主要有五种:
(1) 协变微扰方案;
(2) 欧几里德化量子场论方案;
(3) 正则量子化方案;
(4) 超弦理论(即弦理论);
(5) 离散量子化方案。
在这些方案中除了超弦理论很有前途外,其它四种都很难取得进展，从而弦理论可能是统一所有相互作用的理论。
1984-1985年,弦理论发生第一次革命,其核心是发现“反常自由”的统一理论,超弦理论是唯一自恰的量子引力理论,人们认识到超弦理论可以给出一个包容标准模型的统一理论之后,一大批才华横溢的年轻人自然地投身到超弦理论革命的洪流中去了。超弦第一次革命差不多在一年时间里就已完成,其影响却远远超过一年,此后若干年所围绕发展的几个问题和重要概念都在这一年之间已被提出。
1994年在美国南加州大学的超弦年会上,美国年轻的物理学家威顿系统地报告了弦论中关于各种对偶性的工作成果,接着塞伯格报告了关于不同超对称规范理论之间的对偶性,史瓦兹报告了与森的合作的新工作。他们的报告震动了理论物理学界和数学界,弦理论的第二次革命就这样爆发了,威顿和英国人胡耳和汤生用各种不同维数的膜来研究对偶性,革命性指出10维的超弦在强耦合极限下成为一种11维的理论,10维中的弦无非是其中1维绕在第11维上的膜,史瓦兹根据威顿的建议将这个11维理论叫作M-理论。M理论对5种超弦理论和十一维超引力理论的统一无疑又是一次成功的革命，但同时也向人们提出了更大的挑战。
我们仍没有完全解决强相互作用的问题,也没有解决四种相互作用力的统一问题,因此对M理论和超弦理论的研究仍是一个长期和非常困难的问题。正如威顿所说:“我们尚需要几次规模更大的类似目前这样的革命。如果在未来10年内能够处理一场范围更大的弦理论革命,我相信我们将会做得更圆满!”
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