霍金把希望寄托在“M理论”上，以充分解释宇宙的存在

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林奈

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】有传言说，阿尔伯特·爱因斯坦在生命的最后几个小时里，在一张纸上写下了什么东西，最后一次试图阐明一切的理论。大约60年后，另一位理论物理学的传奇人物史蒂芬·霍金也有类似的想法。霍金认为“M理论”是关于宇宙完整理论的最佳选择，但是它到底是什么呢？自1915年爱因斯坦提出广义相对论以来，每一个理论物理学家都在梦想着让我们对无限小的原子和粒子的理解与宇宙无限大的大尺度之间的理解相协调。虽然后者是由爱因斯坦的方程有效描述的，但前者被所谓的基本交互的标准模型预测得非常准确。目前的理解是物理对象之间的相互作用是由四种基本力所描述的。其中的两个——重力和电磁——在宏观层面上与我们息息相关，我们在日常生活中处理它们。另外两个被称为强和弱相互作用，作用非常小，只有在处理亚原子过程时才变得有意义。

史蒂芬·霍金（英国著名物理学家），图片版权：Lwp Kommunikáció/Flickr, CC

基本交互的标准模型为这三种力提供了统一的框架，但是引力不能一直包含在这幅图中。尽管它准确地描述了行星的轨道或星系动力学等大规模现象，但广义相对论在很短的距离内就会崩溃。根据标准模型，所有的力都是由特定的粒子介导的。对于引力，一个叫做引力子的粒子做这个工作。但当试图计算这些引力子如何相互作用时，就会出现无意义的无穷大。一个一致的引力理论应该在任何尺度上都是有效的，并且应该考虑到基本粒子的量子性质。这将使引力与其他三种基本的相互作用形成统一的框架，从而为所有事物提供著名的理论。当然，自从爱因斯坦1955年去世以来取得了很大的进步，而现在最好的候选也被称为m理论。

要理解m理论的基本思想，必须追溯到上世纪70年代，那时科学家们意识到可以用微小的振荡弦(能量管)来描述宇宙，而不是像粒子那样描述宇宙。这种对自然基本成分的新思维方式最终解决了许多理论问题。最重要的是，弦的一个特殊的振动可以被解释为引力子。与标准的引力理论不同，弦理论可以用数学的方式来描述它的相互作用，而不会产生奇怪的无穷大。因此引力最终被包含在一个统一的框架中。在这个令人兴奋的发现之后，理论物理学家花费了大量的精力去理解这个开创性的想法的后果。然而正如科学研究经常发生的那样，弦论的历史以起起伏伏为特征。起初人们很困惑，因为它预测粒子的存在速度比光速还要快，被称为“速子”。这一预测与所有的实验观测结果形成了对比，并对弦理论产生了严重的怀疑。

然而这一问题在20世纪80年代早期通过在弦理论中引入“超对称”的方法得以解决。这预示着每一个粒子都有一个超级搭档，而且由于一个特殊的巧合，同样的条件实际上消除了速子，第一个成功通常被称为“第一次弦革命”。另一个显著的特征是弦理论要求存在10个时空维度。目前只知道四种：深度、高度、宽度和时间。虽然这似乎是一个主要的障碍，但是已经提出了几个解决方案，而现在它被认为是一个值得注意的特性，而不是一个问题。例如吗可能被迫生活在一个四维的世界里，没有任何额外的维度。或者额外的维度可以在如此小的尺度上被“紧化”，我们不会注意到它们。然而不同的紧化会导致物理常数的不同值，从而导致不同的物理定律。一个可能的解决方法是，宇宙只是众多“多元宇宙”中的一个，受不同物理定律的支配。

有其他宇宙吗？图片版权：Pixabay., CC BY

这可能看起来很奇怪，但是很多理论物理学家都在研究这个想法。如果你不相信，你可能会尝试阅读小说《Flatland》：这是埃德温·阿伯特(Edwin Abbott)的许多维度的浪漫故事，其中人物被迫生活在两个空间维度中，无法意识到有第三个维度。但当时还有一个紧迫的问题困扰着弦理论学家。一个彻底的分类显示了五种不同的一致弦理论的存在，并且不清楚为什么大自然会选择五种不同的弦理论。这就是m理论进入游戏的时候。在1995年的第二次弦革命中，物理学家们提出，5个一致的弦理论实际上只是一个独特理论的不同面，它存在于11个时空维度中，被称为m理论。它包含了不同物理环境中的每一个弦理论，但对它们都是有效的。这张极具吸引力的图片使大多数理论物理学家相信m理论是万物的理论——它在数学上也比其他候选理论更加一致。

尽管如此，到目前为止m理论在制造可以通过实验测试的预测方面一直很困难。超对称目前正在大型强子对撞机上进行测试。如果科学家确实找到了超级合作伙伴的证据，那将最终加强m理论。但是对于目前的理论物理学家来说，制造可测试的预测和实验物理学家建立实验来测试它们仍然是一个挑战。大多数伟大的物理学家和宇宙学家都被一种激情所驱使，他们发现美丽的、简单的世界描述可以解释一切。虽然还没到那一步，但没有像霍金那样敏锐、有创造力的头脑，我们就没有机会了。