我们的世界是由弦构成的吗？

本文为蔡荣根院士为《科学世界》杂志2021.4期撰写的卷首语

随着2012年所谓“上帝粒子”的希格斯粒子在欧洲大型强子对撞机（LHC）上被发现，描述物质基本组元及其相互作用的粒子物理标准模型取得了极大的成功。粒子物理标准模型成功地描述了除了引力之外的3种基本相互作用（强、弱和电磁相互作用），但是它仍然存在规范等级、宇宙学常数、暗物质等一系列问题。这些问题激励着物理学家寻找超出粒子物理标准模型的新物理，其中一个重要的思想就是联系费米子自由度和玻色子自由度的超对称性。

在20世纪强子物理的研究中，为了描述雷吉（ T . Regge）看到的强子的自旋和质量之间的关系，南部阳一郎、萨斯坎德（L .Susskind）等人在70年代首先提出“利用1维弦的运动来代替点粒子运动”的思想。1维的弦可以是闭合的圈即闭弦，也可以是开口的弦即开弦。基本粒子则来自于弦不同的振动模式。然而，随着盖尔曼（M. Gellman）等提出的量子色动力学（QCD）理论的成功，弦论的光芒渐渐被掩盖，不过其思想一直没有中断。因为闭弦中自然地含有一个自旋为2的无质量粒子（引力子），因此人们猜测弦论可能不是作为一个强相互作用理论，而是应该作为一个量子引力理论而存在。

最初的弦论是玻色弦理论，理论中只有玻色子而无费米子，并且有包含不稳定的快子、必须存在于26维时空中等问题。超对称思想和弦论的结合，在世界面上加入费米子自由度使其具有超对称性，便诞生了超弦理论。超对称的引入修改了反常的计算，使得时空维度只需要10维便可。除了我们生活的4维时空，其他6个维度被卷曲在卡拉比-丘流形上。这种额外维的思想可以追溯到20世纪20年代卡卢察（T. Kaluza）和克莱因（O. Klein）提出的高维时空的想法，爱因斯坦也试图以此统一引力理论和电磁相互作用。在这个意义上，超弦是通过额外维的思想来实现物理上大一统的一种途径。

超弦理论的发展伴随着两次革命。首先是在1984年，格林（M. Green）和施瓦茨（J.Schwarz）发现了反常相消机制，这是物理学家第一次发现了自洽的弦理论。随后逐渐建立了5种不同的弦理论，是为“第一次超弦理论革命”。

接着在1995年，威滕（E. Witten）发现了这5种看似不同的弦论其实是某种更高维的M理论的不同近似，在原理上将其统一。因此，M理论也被称为“描述世界的终极理论”。波钦斯基（J. Polchinski）发现除了1维的弦之外，理论中还应该存在延展的物体，即D膜。1997年，马尔达西那（J. Maldacena）基于D膜理论发现了AdS/CFT对偶，即反德西特时空（AdS）上的超弦（M）理论与其边界上的共形场论（CFT）的等价性。AdS/CFT对偶联系了引力理论和量子场论，并首次给出了引力全息性质的定量联系。因其广博的联系和内在的本质属性，AdS/CFT对偶被提出来后一直受到理论物理学界极大的关注和重视。同时，弦论还极大地推动了黑洞物理的发展。基于D膜物理，施特罗明格（A. Strominger）和瓦法（C. Vafa）首次给出了一个对一类超对称黑洞的黑洞熵的微观自由度解释。鉴于这些重要成果的扎堆出现，这一弦论研究的黄金时期被称为“第二次超弦理论革命”。

超弦理论因其过高的能标以及额外维度的要求，在传统的对撞机实验上极难去证实或者证伪，这造成了对超弦理论的一些争议。一个可能的机遇来自于宇宙学的观测。近来，越来越多的人在研究弦论在低能下会给我们生活的宇宙提出怎样的限制。弦沼泽地思想的提出，给出了诸多宇宙学中可以观测检验的猜想，这或许可以带来证实或证伪弦论的证据。

尽管弦论是否是描述我们这个世界的大一统理论还有待时间的证明，但作为一个理论框架的超弦已经成为研究物理问题的重要方法，给数学界和物理学界带来了诸多意想不到的惊喜。期待有更多的人去了解它、探索它和发展它。