爱因斯坦在完成广义相对论后，终其一生，都将主要精力放在另一项伟大的工作上——统一场论。他希望把由广义相对论来描述的引力场和电动力学描述的电磁场用一个统一的理论来描述。遗憾的是，爱因斯坦失败了。后来人们又发现了弱力和强力，要想建立统一理论，就必须把四种力都统一起来，难度更大了。目前，也许只有超弦理论以及在其基础上发展起来的M理论能为我们带来一丝希望之光。
20.1 统一理论的探索
对于物理学家们来说，标准模型里的粒子和力太多了，他们不相信自然界会如此繁复地造物，所以他们希望用一个统一的理论框架描述标准模型。但是当他们试图将规范场理论推广到弱相互作用时却遇到了困难，原因是根据规范场理论，规范粒子的静止质量应为零，而弱力的性质表明传递弱力的粒子有静止质量。
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20世纪60年代，格拉肖、温伯格、萨拉姆等人在对称性自发破缺概念的基础上，将弱力和电磁力统一起来，建立了弱电统一相互作用规范场理论，称为电弱统一理论。该理论认为弱力和电磁力在能量大于1000GeV（G=109）时是统一的对称的力，其规范粒子的静止质量为零，但能量降低到1000GeV以下时，部分规范粒子在希格斯机制的作用下变得有了静止质量，于是统一的电弱力分化为电磁力和弱力。这个过程被称为电弱统一相变。
电弱统一理论经受了实验的检验，取得了巨大的成功。这一成功鼓舞了物理学家进一步将强力和电弱力统一起来的大统一规范场理论研究，以及将所有的力统一起来的超统一规范场理论研究（见表20-1）。
大统一理论认为，强力在高能时变弱，而电磁力和弱力在高能时变强，当能量达到约10^15GeV 以上时，三种力强度接近一致，因而可能是同一种力的不同方面。
大统一的能量标度10^15GeV 是一个十分巨大的能量，它对应的温度是10^28K（太阳中心的温度只有1.5×10^7K），靠普通方法根本无法达到。
然而根据现代宇宙学，宇宙是由130 多亿年前的大爆炸演化而来，其能量可能有这么大。因此，我们可以借助宇宙这一天然实验室来检验大统一理论。经估算，当初宇宙的能量为10%15GeV 时，宇宙大爆炸产生的时间尺度只有10^−35s，空间尺度只有10^−31m。
超统一理论认为，当能量标度大于10^19GeV时，四种力统一为一种力。人们称10^19GeV 为普朗克能量，与之对应的时间和空间尺度分别为普朗克时间（5.4×10^−44s）和普朗克长度（1.6×10^−35 m）。其主要观点是：现有的四种力场在大爆炸开始到普朗克时间这段时间内是超对称的统一的规范场，随着能量的下降，先后发生超统一相变、大统一相变和电弱统一相变三次自发对称性破缺，最终形成了引力场、强力场、弱力场、电磁场等四种规范场。
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大统一理论和超统一理论目前还处于发展之中，并没有完全成型，这是现代物理学的最前沿，它涉及宇宙学、粒子物理学、广义相对论、量子场论等各个理论物理的尖端领域。目前，物理学家们已经发展了多种理论模型，其中比较受重视的理论有超弦理论、量子引力场论以及M理论（或叫膜理论）等。
我们可以梳理一下现代物理学的主要逻辑（见图20−1）。一是狭义相对论和量子力学相结合建立量子场论（只涉及电磁力、弱力和强力）；二是把广义相对论和量子力学相结合，试图建立有关引力作用的量子场论，又称量子引力场论（不涉及电磁力、弱力和强力）。最终，我们可以把上述两种逻辑走向合并，即把电磁力、弱力、强力和引力四者统一起来，这正是超弦／ M 理论的雄心所在。
图20-1 现代物理学基础理论的逻辑走向
20.2 宇宙的琴弦：超弦理论
20 世纪70 年代，人们已经成功地用量子场论描述了电磁力、弱力和强力，却在构建引力的量子场理论时遇到了困难。引力是由广义相对论描述的，一个使人尴尬的事实是，把广义相对论和量子力学融和起来的所有计算，都得到一个相同的答案——无穷大。
1968 年，有物理学家偶然发现欧拉β 函数能描述强力的大量性质。1970 年，物理学家们证明，如果用一维的振动的“弦”来模拟基本粒子，那么它们的强力就能精确地用欧拉函数来描写，弦理论由此诞生。
1984 年，物理学家们在弦理论中引入超对称性（将玻色子和费米子对应联系起来的一种对称性，还没有被实验证明），从而使其能够将四种基本作用力自然地统一起来。这种超对称性的弦理论被称为“超弦理论”。
超弦理论将广义相对论与量子力学和谐地统一起来，用来回答有关自然最基本的物质构成和力的原初问题。将引力自然引进量子理论是超弦理论最吸引人的特点之一，而无须“重整化”数学技巧无穷大就会消失是另一个吸引人的特点，于是引发了研究热潮，这就是所谓的“第一次超弦革命”。
图20-2 两端为节点的开弦
超弦理论的基本思想是：所有基本粒子（轻子、夸克、光子、引力子，等等）其实都是由一根一维的弦构成。弦可以有两种结构：开弦和闭弦。开弦具有两个端点（见图20-2），闭弦是一个没有端点的闭合圈（见图20-3）。这些弦一般只有普朗克长度（10^−35m）的尺度。
图20-3 振动的闭弦
超弦理论中，一个基本粒子的质量、电荷、弱荷、色荷等性质都是由构成它的弦产生的精确共振模式决定的。如果弦的振动剧烈，其能量就大，根据质能关系，质量也就大。这就像我们拨动琴弦时，琴弦振动不同，发出的声音也不同一样。
但是，超弦理论却对空间维数有着很高的要求。为了有物理意义，它要求弦能在9 个独立的空间方向振动，也就是说，需要9 维空间，再加上时间，那就是10 维时空。这9 维空间除了我们熟悉的3 个空间维外，还有6 个卷缩在普朗克长度尺度下的空间维。当然，这6 个维度不是随便卷曲的，它们卷缩成所谓的卡拉比−丘成桐空间（见图20-4）。这6 个维度和弦的大小属于同一尺度，所以这些额外维度的几何形态将对弦的振动产生影响，从而影响粒子的性质。
图20-4 卡拉比- 丘成桐空间的一个例子 有成千上万种卡- 丘空间形态都能满足弦理论的要求
1985 年，物理学家们又有了新的发现，他们发现超对称性可以通过五种方式和弦理论结合起来，且每一种都是自洽的。也就是说，同时出现了五种超弦理论。这五种超弦理论可以分为三大类：I 型、II 型（IIA、IIB）和杂化型（杂化O 和杂化E）。I 型理论中的弦可以是开弦也可以是闭弦；II 型理论和杂化型理论中的弦都是闭弦。
图20-5 闭弦的相互作用
除I 型理论外，其他四种超弦理论都是闭弦。对于闭弦而言，自然界中所发生的一切相互作用，只用一种相互作用就能解释，那就是弦的分裂和结合（见图20-5）。两根弦可以结合在一起形成一根弦，相反一根弦也可以分裂成两根。
闭弦的相互作用对由费曼图所表示的物理过程给出了一种看上去更直观的描述，比如图20-6 就是用弦表示的两个电子相互作用的时空图。
图20-6 两个电子间电磁相互作用过程的时空图
当一根闭弦在运动的时候，它在时空图中扫过的轨迹是一根管子；当发生相互作用时，弦的分裂和结合就像管子的分离与交汇，人们把这种图像形象地称为“世界叶”。
20.3 M 理论：终极理论？
实际上，五种超弦理论的出现虽然令人惊喜，但也给物理学家们带来了烦恼：为什么会有这么多呢？这还不止，又有一种被称做“11 维超引力”的理论加入了超统一理论的大家庭中，它的基础是点粒子，而不是弦。一下子冒出这么多“万物至理”，让人们既尴尬又不安。
这种困扰一直持续到1995 年，美国物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）提出一种能将五种超弦理论和11 维超引力理论包容在一起的新理论——M 理论。他能证明，这6 种理论只是M 理论的某些极限情况。打个比方，如果M 理论是一只大象，那么先前的6 种理论只不过是大象的脚底板、尾巴尖和长鼻头而已。
爱德华·威滕。图片来自网络
一石惊起千层浪，M 理论向终极统一理论又迈近了一步，引起了超弦理论的又一次研究热潮，也就是所谓的“第二次超弦革命”。
M 理论的M 代表什么意思众说纷纭，但也许认为它代表“膜”更准确，所以M 理论也叫“膜理论”。
在M 理论中，空间又被扩展了一维，成为10 维空间，加上时间就是11 维时空。超弦理论已经有了6 个卷缩在普朗克长度下的维度，再加一个看起来也似乎无足轻重。但是，M 理论加入的这一新维度却不一定是微小的卷缩维度，它可以是一个非常大的维度。
这就改变了我们思考世界的方式，这就意味着“弦”会被拉伸为“膜”，基本物质组成不再只是一维的振动弦，还有零维的点粒子、二维的振动膜、三维的涨落液滴，以及不同维数的高维“膜”，一直到多达9 维都有对应的结构。它们在大小上可以有很宽的范围，小到可以描述基本粒子，大到可以包含所有可观测空间。一般把p 维的“膜”记为“p−膜”，比如弦是“1−膜”，我们所在的三维空间是“3−膜”。根据M 理论，是膜的相互碰撞导致了各种粒子的产生，甚至连我们的宇宙也是膜碰撞的产物。
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可以说，第一次超弦革命统一了量子力学和广义相对论，发现了量子自洽的五种超弦理论；而第二次革命统一了五种不同的理论，预言了一个更大的M 理论的存在。
20.4 平行宇宙
由于M 理论中的新增维度可以非常大，所以就能得到一个推测：我们的宇宙可能是漂浮在一个更高维度空间中的3−膜。换言之，高维空间中有很多3−膜，也就是说，有很多平行宇宙，我们的宇宙只是其中一个而已。这个图像我们无法直观想象，只能用三维空间中的二维宇宙来做类比。如图20-7 所示，从三维空间观察，一系列二维宇宙近在咫尺，但是对于只能感知到两个维度的生物来说，他们根本看不到别的宇宙。同理，也许另一个宇宙在第四空间维中与我们近在咫尺，我们却根本察觉不到。
图20-7 三维空间中的二维宇宙虽然离得很近，但它们却互相无法探测到
M 理论中这种平行宇宙与艾弗雷特在多世界诠释中构造的平行宇宙不同。打个比方来说，M 理论中的平行宇宙是一个个各不相同的人，而艾弗雷特的平行宇宙是一个人不断地分裂成新的类似的人。
就个人而言，我认为艾弗雷特的分裂是荒唐的，而存在各不相同的平行宇宙则是很正常的，既然宇宙可以诞生，我们就没有理由认定仅仅诞生我们这一个宇宙。
M 理论的一个关键因素是狄利克雷膜的概念，它简称为D 膜。人们证明，开弦的两端会很自然地黏在D 膜上，而闭弦则没有这个约束。可以用开弦表示夸克、轻子、光子等大多数粒子，只有引力子例外，它是由闭弦描述的。因此，除了引力子之外，所有的粒子都很自然地黏在D膜上。另一方面，引力子会自由地离开一个D 膜，飞到其他维度上去。也就是说，引力子可以在更高维度的空间穿梭。
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