宇宙的本质是什么？为了回答这个问题，人类想出许多模型来描述世界。我们不断验证这些模型并学会扬弃。但随着我们知道的越多，模型就变得越复杂，越怪诞。有些甚至困难到难以用精确的方式去描述它。比如弦理论。一个著名的，充满争议的并且常常被误解的理论。

为什么我们会想出这套模型，它是正确的吗？还是只是一个不值得重视的想法。为了知道自然的本质，我们近观察地观察各种物质，惊讶于其中深藏的奥妙，微小世界的奇妙景观，拥有奇异生物的动物园，复杂的蛋白质结构。

图解：物质放大呈现不同阶段，终结于弦阶段：物质分子结构（原子）原子（质子、中子、电子）电子夸克弦

它们都是由分子构成，而分子又由更小的原子构成。我们曾经认为它们就是世界的基本单元，直到我们将它们强力碰撞，由此发现了完全不可在切割的物质：基本粒子。但现在，我们遇到一个问题：它们太小了，我们看不见它们。想一想，观测是如何完成的呢？想要做到观测，我们需要光，也就是电磁波，波段碰到物体表面，反射到你的眼睛里，光波携带者物体的信息，让你的大脑能建构影像，所以你不可能在没有某种交互作用的情况下做观测。

图解：由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。

看见，有所了解，是一个主动而非被动的过程。对大多数的物体来说这都不是问题，但基本粒子微小至极，它小到我们所了解的电磁波根本碰不到，可见光只会穿透它们。我们可以借缩小电磁波波长来解决问题，但波长越小，意味着能量越大。所以，当我破门用一道高能量的光去照射粒子，光会改变粒子的位置，为了观测它，我们改变了它的性质。结论是，我们无法精确地测量基本粒子。这个现象被命名为：海森堡测不准原理。它是一切量子物理学的基础。所以，粒子看起来是什么样子？它的本质又是什么呢？我们并不知道。

图解：海森堡假想测量电子（蓝点）位置的伽马射线显微镜。波长为的侦测伽马射线（以绿色表示），被电子散射后，进入孔径角为的显微镜的透镜，其直径为。散射后的伽马射线以红色表示。

如果我们尽可能去观测它，我们可以看到一团模糊的物体，可这并不是粒子本身，我们只能知道它在那儿。这种情况下，我们要怎么对它进行科学研究呢？就像前人那样，我们提出了新的数学模型：点粒子模型。我们假设粒子在空间中只是一个点，任何电子都只是空间中有特定电荷量和特定质量的点，而且所有电子都无法被区分，这样物理学家便可以定义它们，并计算它们之间的交互作用，这套理论叫“量子场论”，它的出现解决了许多问题。粒子物理中的标准模型都是建立在此基础上，而粒子物理实验的精确值也相当高，有些电子的量子性质被测量出来了，精确值可以达到0.0000000000002%（2×10^-13%）。所以，就算粒子并不真的是个点，这样的假设让我们可以相当精确地去描绘宇宙，这样的思想不仅让科学进步，它也带给我们许多每天都在使用的科技成就。

图解：左边为爱因斯坦狭缝问题的固定挡板与狭缝实验装置。右边为玻尔设计出一个改良的实验装置，他将固定挡板更换为一个可上下移动的挡板。

但有一个重大的问题-------重力。在量子力学里，所有的力都由特定的粒子产生。但根据爱因斯坦的广义相对论，重力并不像宇宙中其他作用力一样，如果宇宙是场戏剧，粒子就是演员，而重力则是舞台。简单来说，重力是一种几何学，时空间的几何学，我们必须定义出绝对的距离，但在量子物理世界中，我们无法明确测量事物，重力模型与量子物理模型彼此并不相容，当物理学家试图增加新的粒子来描述重力时，他们的数学系统却失效了，这是个相当重要的问题。

如果我们可以结合重力与量子标准模型，我们可以得到一切的万有理论，所以天才们开始想新的模型，他们问到：“比一个点更复杂的事物是什么？”一条线？一根弦？弦理论便由此诞生，弦理论之所以如此精妙，是因为它用不同的弦振动模式描述了许多不同的基本粒子。就像小提琴不同的弦振动，能够发出不同的音，弦的各种振动模式就产生不同的粒子。最重要的是，其中就包括了重力，弦理论可以统合宇宙中所有的基本作用力，这引起了巨大的热潮。弦理论很快成为了可能解释一切的理论，不幸的是，弦理论有许多限制，在我们这由三维空间与一维时间组成的宇宙中，弦理论不能保持数学上的一致性，弦理论至少需要十维的世界来运作，所以，弦理论确实能在理论中的宇宙运作，而物理学家想要找出去除剩余六维的数学模型来探究我们所处的宇宙。但直到现在，没人能够做到。

并且弦理论的预测也未全部得到实验证实。所以，弦理论并没有真正揭露宇宙的真实样貌。于是有人指出，弦理论也许完全不实用。科学是由一连串的实验和预测所组成的。如果我们无法证明，为何还要费心于弦理论呢？它与我们如何使用它息息相关，物理以数学为根基，2+2=4，这就是真理，不论你你有什么想法，而弦理论中的数学推导是可行的。这就是为什么弦理论仍然是实用的。想象你在打造一艘巨大的邮轮，但你只有一张划桨小船的蓝图，它们在材料，引擎和大小上虽然差距很大，但原理是相同的，即一块漂浮在水上的物体。于是，透过研究划桨小船的蓝图，你最终可能还是可以学到如何造邮轮。

有了弦理论，我们可以试着去解释一些困扰物理学家数十年的量子重力论的难题，比如黑洞如何运行或者它的讯息悖论。弦理论可能可以成为指引我们方向的一盏明灯。有了这个想法，弦理论就变成了一个理论物理学家有价值的工具，并且可能帮助他们去探索量子世界的新层面，以及一些美丽的数学理论。所以，虽然弦理论可能无法解释一切事物，不过，就像点粒子模型一样，弦理论可以是一个实用的理论。我们还不知道现实世界的本原，不过我们会继续研究更多理论来探究它。或许将来某天，我们能够真正了解其中的奥妙。

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全文排版：天文在线（零度星系）

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