我们观察一个二维曲面，感觉很容易弄明白它的性质，其原因就在于我们是在三维空间中观察。你可能还记得，狭义相对论中看上去不可思议的尺缩钟慢效应，一旦在四维时空中观察，就变得清晰明了、简单易懂。这说明一个道理：自然规律在高维空间中表述时可以变得更简单。再回过头来看看卡鲁扎的五维时空方案，你就会发现他已经找到了一条通往统一场论的道路：更高维的几何是把低维几何统一起来的一条捷径。
于是，几十年后，卡鲁扎的理论又复活了，不过，这一次更耸人听闻，为了统一四种力，时空变成了10维——四维时空加6个蜷缩在普朗克尺度下的空间维，这就是超弦理论。
超弦理论的目标是宏大的，它不光要把四种力统一起来，还要把所有基本粒子都统一起来！
现代物理学标准模型中，基本粒子多达62种，几乎都可以开个粒子“动物园”了，物理学家们认为这不符合物理简洁性的要求，纷纷猜测这些粒子可能还有更基本的共同结构，超弦理论认为这个结构就是“弦”。
根据弦理论，所有基本粒子都由一根一维的弦构成
超弦理论的基本思想是，所有基本粒子（电子、夸克、光子，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，闭弦是没有端点的闭合圈。这些弦一般只有普朗克长度（10-35m）的尺度。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。
更吸引人的是，超弦理论可以实现引力场的量子化，无须复杂的数学技巧，恼人的无穷大就会消失。因为标准模型中的基本粒子都是没有体积的零维点粒子，而超弦理论中的基本粒子是一根一维的曲线，这样就可以自然地避免无穷大的出现，广义相对论与量子力学可以和谐地统一在一起，这令物理学家们欣喜若狂，于是引发了超弦的研究热潮。
令人尴尬的是，因为弦的振动模式细节不同，竟然出现了5种不同的超弦理论，人们难以取舍，不知所措。到了1995年，终于出现了一种能将5种超弦理论包容在一起的新理论——M理论（又叫膜理论）。但是，M理论的空间又扩展了一维，变成了11维时空！
超弦理论已经有了6个蜷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蜷缩维度，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，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更高维膜碰撞的产物。
M理论认为引力子可以在高维空间中自由穿梭，而其他3种作用力的传递粒子被牢牢固定在我们的宇宙中，这就解释了为什么引力会比其他3种力弱30多个数量级。按照该理论，其实引力本来也是很强的，但引力子四散而开，使它的强度泄漏到了其他维度，所以我们的宇宙感受到的引力就非常微弱。
尽管M理论看上去很美，但它还是处于发展中的理论，而且仍然面临着卡鲁扎所无法解决的那个终极难题：如何证明那些额外维度的存在？人们从理论上设计了一些实验，比如用高能加速器来寻找弦的存在，或者说在非常微小的尺度上观察引力与距离是否偏离了平方反比定律（人们认为如果能进入10个维度的空间，引力就应该与距离的9次方成反比），但是，这些实验所要求的条件，以人类目前的技术水平是绝难企及的。可是，如果真的证明不了，我们就没法判定11维时空到底是一种数学上的技巧还是一种真实的物理理论，这也许是M理论面临的最大危机。
在宏观尺度上，广义相对论让我们对时空的性质有了非常透彻的了解，然而，在微观尺度上，圈量子引力的时空量子化和M理论的11维时空又让我们陷入了迷雾之中。对人类来说，破译时空密码的道路，注定将会艰难而漫长。
网友评论