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三、超弦理论与M理论
爱因斯坦在晚年一直想要找出一种“大统一理论”融合量子力学与广义相对论，许多科学家也想找出一个包罗万象的理论来解释世间的一切，可惜一直未能成功，直到超弦理论的出现。超弦理论是真正的颠覆性理论，初次接触这一理论并能保持镇定的人是不多的。超弦理论的困难在于缺乏实验证明和数据支持，以现有的技术水平还无法获得那么大的能量，因此还不能被认为是正确的。可因为相对论和量子力学近几十年似乎都发展到了尽头，长期没有突破性进展，而超弦理论能够出色地解决量子论和相对论的矛盾，并能将许多物理学分支融合到一起，因此许多物理学家都转移到超弦理论的研究当中，并发现这一理论的博大精深。
超弦理论的核心思想
1。万物的基础都是弦
在亚原子世界里存在很多种微观粒子：电子、中微子、上夸克、玻色子……超弦理论认为，所有微观粒子都是由一根一维的弦振动形成的，弦的不同振动模式形成不同质量和电荷。而这条弦是宇宙的最小基元，无法再分，其尺度大约是普朗克长度（原子核的一千亿亿分之一，小数点后18个零）。两个点粒子撞击，如正电子和负电子湮灭产生光子，其实是两根振动的弦相遇形成第三根弦。万物都是弦，整个宇宙就是一个伟大的交响曲。
广义相对论认为，宇宙膨胀到一定程度之后会收缩，一直收缩到一个无穷小的点；而超弦理论认为，宇宙收缩到普朗克长度以后就达到极限，之后会再次大爆炸，一直这样循环往复下去……
在广义相对论里，空间和时间形成一个光滑弯曲的几何结构；而在量子力学中，空间和时间都在经历着量子涨落，而且在越小尺度上涨落越激烈，从而产生冲突。而在弦理论主宰的宇宙中，我们不可以将大自然无限地分割下去，在量子力学预言的那种疯狂涨落出现以前，就会达到极限。
2。超对称宇宙
量子论、相对论……我们有很多物理学定律，那么这些定律是在宇宙的所有时间、所有地点都成立，还是仅在某种条件下成立呢？我们认为物理学定律不随运用的时间或地点而改变，称之为自然界的“对称性”。此外，物理学认为所有的方向都是平等的，这也是一个对称性原理。此外，还有什么我们忽略的对称性吗？有，超对称。
物理学家发现电子存在自旋，并且永远以固定不变的速率转动；进而发现，所有的微观粒子——光子、引力子等都存在自旋，只是速率不同。而在弦理论里，不同的自旋也关联着不同的振动模式，而弦理论数学也使人发现了一种“不可能存在于现有宇宙的、完全相反的振动模式”，称之为“超对称”，这也是“超弦理论”名称的来源。
超弦理论预言，所有的微观粒子都是成对出现的，如电子应该有一个自旋性质相反伙伴“越电子”，光子也应该有伙伴“超光子”。这些粒子之所以无法被发现，是因为它们存在于自旋性质完全相反的“超对称宇宙”里。
3。自然力的整合
科学证明了自然界存在四种基本自然力：引力、电磁力、弱力和强力（引力和电磁力大家比较熟悉，弱力和强力是作用于原子核内和放射性物质里的力），科学家一直在尝试用一种“大统一力”来整合四种力。量子场论已经将电磁力、弱力和强力统一起来，证明了它们不过是微观的量子薄雾所产生的不同影响的效果，在极高温度和极小尺度下它们的表现将会完全相同。想像两条坐标轴，横坐标是温度，纵坐标是力的强度。随着温度的升高，三个力会均会平滑的增大或减小，并且最后交于一点——可是引力并不与这一点相交。此外，物理学家还发现，如果将计算精度提高到一定程度后，原本相交于一点的三个力其实也是不相交的。
可是在超弦理论下，超对称粒子能够产生完全相反的量子涨落，使那些力的强度趋于一点，从而将四种力统一起来，这是一方面。另一方面，要想真正将引力和电磁力的方程整合起来，则需要推到更高维的空间。
4。多维空间
我们所感知到的空间是三维的，爱因斯坦在广义相对论里将时间作为第四维，形成四维时空理论。而超弦理论认为空间有更多的维度。在把广义相对论和量子力学方程结合起来的时候会出现很多无穷大的结果，这在弦理论里已经解决了；然而还会出现很多负概率的结果，这是不可思议的。后来科学家们发现，其实负概率产生的原因是出现了一个“不存在的方向”，如果把这个方向扩展成一个新的空间维就会消除所有的负概率，从而形成了多维空间理论。
多维空间很难从形象上理解。以三维为例，我们能感受到的方向是前后左右和上下，而在四维空间里，还会多出一个方向“内外”；即四维空间有四个坐标轴，其中第四条垂直于另外三个坐标轴。就像平面是立体的切面一样，三维空间也只是四维空间的一个“切体”，这也就意味着四维空间的物体将会更为复杂（有兴趣的可以研究一下《四维空间几何学》）。更高维的空间更难以想像，大概只有数学上的意义。
从前人们认为引力与电磁力是两种完全不同的力，然而将空间增加一个维度后就会发现，爱因斯坦的广义相对论方程与麦克斯韦的电磁学方程完全统一起来。超弦理论认为，引力和电磁力都是同一种力在低维空间的不同表现形式。
5。多重宇宙
超弦理论认为，空间既有延伸的维度也有卷曲的维度，卷曲维度的大小约为普朗克尺度，远远超出实验仪器的观测。除了我们熟悉的三个展开空间维之外，还有六个卷曲维，即九维空间——再加上一个时间维，宇宙应该十维时空。而每一条不可细分的振动的弦，其实都是一个六维的宇宙！！这些六维空间具有无数种不同的几何形状，但是都能满足一定条件，称之为“卡－丘空间”（以宾夕法尼亚大学数学家卡拉比和哈佛大学华裔数学家丘成桐命名）。卡－丘空间在物理学界影响极大，近代弦理论的研究几乎都在围绕卡－丘空间进行。
这就是超弦理论惊人的观点之一，不禁让人联想到佛家的“一沙一世界”。事实上对于弦来说，不要说沙子，就是一个原子也太大了，在一个原子里面也存在数量宠大的卡－丘空间。这还不是最不可思议的，更令人震惊的结论是，我们这个宇宙也可能只是其他宇宙里的一根弦！！
6。微观与宏观
广义相对论对应着黎曼几何，二者结合起来完美解决了宏观世界的绝大部分问题；而在微观尺度上，随着量子力学、超弦理论、多维空间理论的发展，也形成了相应的量子几何来解决卡－丘空间几何形态的问题。
超弦理论认为，弦的能量来源有两种——振动和缠绕。而且，任何一个卷缩维半径大的弦结构都对应着一个半径小的弦结构，前者的弦的振动能等于后者的缠绕能，而前者的缠绕能等于后者振动能。由于物理学关心的是弦结构的总能量，而不是能量如何在振动和缠绕之间分配，所以这两个几何形态“在物理层面上没有任何区别”。而这两种几何形态在尺度上满足倒数关系。
假设一个卡－丘空间的半径为R=10*普朗克长度，则必定有一个R=1/（10*普朗克长度）的卡－丘空间与之对应并且完全等效，或者说它们是同一个空间，没有什么不同也无法区分它们。在点粒子理论里距离只有一种定义，而在弦理论里距离有两种定义：缠绕的弦和未缠绕的弦，两种定义所得到的结果一个是R一个是1/R，在物理上是完全等价的。因此，每个卷缩的维都有一个半径，它与半径为倒数的维将生成物理学上完全相同的宇宙。应用到我们所在的宇宙，我们的宇宙长度大约有150亿光年，也可以认为它的长度是150亿光年分之一！因此，它也可能只是另一个宇宙中的一根弦或一个微观粒子。
此外，弦理论还推断：黑洞就是另一个宇宙的入口，这个宇宙的黑洞会在空间破裂的锥形变换中生成另一个宇宙里的一个光子。因此对宇宙来说，宏观即是微观，微观即是宏观。
7。M理论
爱因斯坦和许多物理学家都相信，物�