本文来自微信公众号蝌蚪五线谱（ID：kedo2011），转载已获得授权。
前两天有报道介绍科学突破奖。荣获2017年基础物理学科学突破奖的是三位超弦理论专家。当时，蝌蚪君只是说，弦论是把本世纪初发现的量子力学与广义相对论结合起来的理论，并没有具体解释是什么意思。
即使远隔千山万水，我也能感受到你们的亿脸懵逼。
所以今天跟各位聊聊为什么要有弦论，以及弦论主要说的是什么。
人类（或者说物理学家）有一种执念：宇宙的本质是简洁的（记住这句话）。一定有一个最简洁的理论，能表达世界。宇宙万象，不过都是它的演化而已。
目前，在宏观大尺度上，广义相对论非常好用，而在微观世界，量子力学非常好用。但世界不可能是割裂的，这两个乍看之下截然不同的理论，一定是“一个问题的两面”。为了把他们二者结合，才有了弦论。不过，在介绍弦论之前，我们先要明白，量子力学与广义相对论的矛盾究竟在哪里，为什么必须开发出一套复杂的弦论才能将其结合。
先来说说引力。众所周知，根据广义相对论，引力的本质是时空的弯曲。为了解释清楚，我们需要引入一个非常经典的例子。把时空比作床单，星球（例如图中的地球）就像是床单上的玻璃球——它的质量会让时空产生形变（即时空的扭曲），因此，旁边质量更小的物体（例如图中的月球），就会掉落坑中（进入地球的引力范围，围着地球转）。
这个理论很好理解，但它有一个隐含的条件：没有物质的时空本身是平坦的。也就是说，没有玻璃球压着，床单就不能出坑，而应该是平平整整的。但量子力学得到的结论刚好相反——在微观尺度，空间并不是平坦的，而是凹凸不平，有涨落的。
量子涨落
打个比方，宇宙就像一幅油画，虽然远远看去图像十分平滑圆润，但如果你凑到屏幕跟前仔细看，就能发现颜料堆积的高低起伏。
油画局部放大
不过，这个微观是多微观呢？答案是“普朗克尺度”。
普朗克尺度是指约 1 × 10^19GeV 量级的能量尺度，即HBAR，C，G都取为一时得到的时间，长度，质量尺度。在普朗克尺度里，引力的强度变得与其他基本作用力相当，理论物理学家认为所有的基本作用力在此统合，虽然详细的机制仍不清楚。
宇宙有四大基本作用力，除了引力之外，还有强核力、弱核力和电磁力。但这四个力在宏观尺度下的强度是不同的。举个例子，两块磁铁近到一定距离，会因为电磁力互相吸引贴到一起。但如果把两块磁铁换成质量相等的两块石头，彼此间隔相同的距离，却不会因为引力而吸到一起——这就是因为引力的强度太低了。如果万有引力的强度为 1，那么弱力为 10^25 、电磁力为 10^36 、强力为 10^38 。只有当小到普朗克尺度时，引力的强度才变得与其他三个力相当，实现四个力统合。
现在我们总结一下情况：普朗克尺度下，四个基本力统合，但由于时空不平滑，广义相对论不可用。宏观尺度下，广义相对论可用，但量子力学与其是割裂的，无法实现统合。这就是矛盾所在。
“弦论登场
在正式介绍弦论之前，我们先要澄清一点：就像欧式几何一样，弦论是一套能够自圆其说的理论，就像世界上没有几何中完美的圆一样，弦论现在也无法被实验验证。
有开弦和闭弦两种
欧式几何有5个公理，例如两条平行线不可能相交，其他一起都是由这5个公理推导出来的。类似的，弦论也有3个“公理”：
1： 基本粒子的本质是一根弦，弦的不同震动产生了不同粒子。
2：存在比我们目前发现的四维时空更多的时空维数。弦论本来要求时空是26维的，后来发现加上下面提到的“超对称”的话，时空是10维的。
3：宇宙中的基本粒子之间存在超对称。所谓超对称的意思就是，所有基本粒子都有超对称伴侣，没有一个是单身的。
没想到，连高深的理论物理都开始虐狗了
正因为有了超对称，假设2里面提到的10维时空就可以写成10=4+6。其中4是我们熟知的三维空间+时间，而6则缩小为一个小宇宙，这小宇宙的名字叫做卡丘空间（不是神奇宝贝里的皮卡丘……）
除了我们熟知的四维，剩下的6维卷曲在一起，称卡丘空间
既然弦论使用了那么多假设，那么我们为什么还需要它呢？从理论上讲，闭弦震动产生引力，开弦震动产生各种粒子。这样，弦论就统一了量子力学和广义相对论。从实用性讲，弦论解决了一个很大的计算问题。本来像电子这样的基本粒子被认为是1个点，没有大小。 但是电子是有电场的，电场是有能量的（手机无线充电的电能就来自于电场）。
于是，电子所在的那个点的电场强度是无穷大，也就是说，在那里，能量无穷大。根据质能方程E=mc^2，电子的质量也变成了无穷大。
万恶的无穷大
为了解决这个问题，物理学家发明了一套很“掩耳盗铃”的技术，这套技术假设电子本身具有负无穷大的质量。这样，一个负无穷大再加上一个正无穷大，就能得到一个有限的数。本来这套“掩耳盗铃”的技术勉强能使。可惜的是，到了引力子那里，这套方法就完全失效了。于是，不得不另辟蹊径——这就有了弦论。物理学家放弃了点粒子的看法，而假设基本粒子是一根弦。这样的话，就能避免所有的“无穷大问题”了。
你可不要小看这个无穷大问题，对于不需要做实验的理论物理来说，能算出有意义的结果，就是最重要的事。
编辑：zcl
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
1. 如果再读一次研究生
2. 13张图，带你认识大学各专业
3. 你以为你很懂水？
4. 拿过奥运会奖牌的数学家，数学博士答辩时却坐满了他的球迷
5. 磁场的本质是什么？|No.32
6. 广义相对论和狭义相对论的根本区别 |No.31
7. 物理天才马约拉纳消失之谜
8. 研究量子场论的 也许是这个星球上最聪明的一群人
9. 他是中科院超牛的物理学者，更是摇滚界无人不知的“李白”
10. “逗妹纸”的16种用法 | 线上科学日
点此查看以往全部热门文章
