當上帝用他的琴撥動著弦，於是宇宙誕生了！

量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大基石，廣義相對論解釋宏觀世界，而量子力學解釋微觀世界。

雖然兩種理論都在各自的領域裡解釋的很好。但是，宏觀世界由微觀粒子組成，人們還是無法相信，同一個宇宙居然要兩種不同的理論來各自解釋。

這種尷尬的處境迫使愛因斯坦為此消耗掉他的整個晚年。即使去世時也未能取得絲毫進展。

弦理論的誕生

在物理學中，宇宙中存在4種基本力：

1、引力：即萬有引力。2、電磁力：來自不同電荷之間的相互作用。3、強力：即將夸克結合到一起的力，核力本質上也是電磁力，只不過是只限於夸克之間。4、弱力：即改變粒子但不對粒子產生推或拉的力，發生在原子核裂變和聚變的過程中。

我們知道，萬有引力的產生是因為物體質量相互之間的吸引，質量越大，引力越大。

但是為什麼有質量的物體相互間會產生這種吸引力呢？

愛因斯坦對此解釋為：宇宙空間的本身是有形狀的，當沒有任何物質或能量存在時，空間應該是平直光滑的，當一個大質量物體進入空間後，平直的空間就會發生彎曲凹陷。這就像一張平鋪的很直很平的織網，當在織網中間放上一塊鐵球，織網就會凹陷下去，而萬有引力就是因為這樣的空間彎曲所導致的。

在此，引力的本質被漂亮地描述成空間的扭曲，廣義相對論對此進行了圓滿的解釋。

但是，空間扭曲卻解釋不了其他3種基本力：電磁力、核力和弱力。

愛因斯坦曾試圖假設世間所有的物質都是由空間扭結和振動而形成，也就是說，我們所有看到的一切可能本質上都是幻覺，只不過是其他形式的空間扭結。

如果這種思想是正確的話，那麼另3種基本力必然本質上與引力一樣，都是空間扭結的結果。

然而，真實情況的微觀世界中，空間壓根不是平直光滑的。粒子間的相互作用可用一個“熱鬧”形容，因為粒子無時不刻都在活動。所以不可避免，很多粒子現象根本無法用廣義相對論進行解釋。

而在量子力學範疇內，力是由粒子的交換產生的，電磁力是有光子交換而來，強力由膠子換而來，弱力由弱規範玻色子交換而來。故電磁力、強力和弱力都可以得到很完美的解釋。

但是，量子力學在解釋萬有引力是乏力的。因為萬有引力雖然很弱，但是作用距離非常之長，它無法通過粒子間的交換來獲得。

於是，我們不得不面對這樣一個現狀，構成現代物理學的兩大理論基石，量子力學和廣義相對論在理論上居然不統一，這無疑成為了現代物理學的一大傷痛。

人們很難相信，在宇宙的微觀層面和宏觀層面，二者居然不是統一的，居然要用兩種理論對此進行解釋。

伴隨著量子力學和廣義相對論的不統一，科學家不得不去認真思考：也許基本粒子的內部存在一種更深層的結構，只是這種結構尚未被我們所理解。

於是弦理論（也稱弦論，一般專指加入超對稱性的超弦理論）得以誕生！

何為弦理論？

弦理論認為，在每個基本粒子的內部，都有一根由細細的“線”在振動，就像小提琴的琴絃一樣，因此這根細細的線被科學家形象的稱為“弦”。

不得不說，在這裡，“線”和“弦”和我們真實世界的線和絃要區分開，二者之所以會被科學家賦予相似性，其實就是因為弦具有振動性特質，是一種能量的表現形式，這個“弦”本質上應該類似一種波，是能量的一種形式而已。

回到正題，我們知道，當你以不同頻率撥弄琴絃會產生不同的聲音。

就像琴絃不同的振動方式一樣，粒子內部的“弦”以不同方式進行振動，產生的不是聲音，而是產生一個個的基本粒子。不同基本粒子的性質由弦的不同振動行為來決定。

電子是某種振動形式的弦，夸克是另一種振動形式的弦，等等。

通過弦理論，這些基本粒子的組成被很好的進行了解釋，而這自然也就伴隨著這些4種基本力中的3種，電磁力、核力和弱力，得到了一定程度的解釋。

這時，4種基本力中只剩下引力未能得到解釋，也正是這個原因，弦理論曾經一度陷入停滯，直到更深入層度的弦理論的出現，引力也得到了相應的解釋。

類似點、線、面的空間維度構成，弦理論也由原來的點弦論（構成基本粒子的弦論）到了線、到了面弦論，只不過此時它還突然有個另外的名字，膜理論。

膜理論如何解釋引力？

膜理論認為，弦構成了組成物質的基本粒子，在粒子的世界裡，基本粒子數量的疊加構成更高一級的結構，比如質子、中子、原子、分子等。

弦不同於基本粒子世界，因為弦和正常粒子的三維空間（至多再加一維時間，4維）不同，弦有10維到11維。

雖然我們人類因為自身觀察的限制還不能認識到4維（我們生活的三維+時間一維）以外的空間具體表象。但就像我們肉眼無法察覺到空中的電磁波一樣，無法察覺並不代表不存在。

根據弦論的數學推導，弦理論至少需要10維，這些維度是弦來運作的自由通道，也像基本粒子通過三維空間由小質量點狀物質到大質量立體物質的過程一樣。

弦通過11維空間由原來單一“弦”聚集變成了膜狀“弦”。

這裡的“膜”並不完全是三維空間裡膜所折現出的平面的意思，只不過是科學家對這種更高級別的“弦”的一種稱謂。

按照弦理論，構成基本粒子的“弦”是最小單位，在此基礎上，弦可以連接成長弦，也可以由長弦進行分割形成短弦，但是有一個前提，對最小單位的弦再進行分割在理論是不被允許的，因為“弦”被從一開始就被認為是不能再分割的單位。

我們知道，引力作用的範圍不同於其他三種基本力，引力作用的範圍非常之遠，可以在恆星到行星之間，也可以在星系到恆星系之間，而其他3種基本力的作用範圍很小，都在10^-33cm以內。

對於這一點，弦理論認為，在宇宙大爆炸的極早期，4種基本力是統一的。

當宇宙處在10^32K這樣極高的溫度（這溫度比我們得到的太陽的溫度高10^26倍）時，引力與其他大統一力分離開來，引力隨著宇宙的膨脹而不斷延伸成長程力。

隨著宇宙進一步脹大和冷卻，其它三種力也開始破裂，強相互作用力和弱—電力剝離開來。

當宇宙產生10^-9秒之後，它的溫度降低到了10^15K，這時弱—電力破缺為電磁力和弱相互作用力。

在這一溫度，所有四種力都已相互分離，宇宙成了由自由夸克、輕子和光子組成的一鍋“湯”。稍後，隨著宇宙進一步冷卻，夸克組合成質子和中子。它們最終形成原子核。在宇宙產生3分鐘後，穩定的原子核開始形成。

因此，弦論認為引力是隨著空間、時間、物質一起從原來10^-33cm以內範圍得到掙脫的，而其他三種基本力等仍然被侷限在10^-33cm以內。

隨著宇宙的冷卻和極不對稱性，使得四種力出現天差地別的差異。

自此，弦論基本讓宏觀和微觀得到初步的一致解釋。

膜理論如何去解釋宇宙大爆炸和黑洞呢？

膜理論認為，世界不止一維，而是10-11維，我們的宇宙也不是唯一的宇宙，我們的宇宙存在於一張膜上。類似，有一個與我們相對應的影子宇宙存在另一張膜上，兩張膜之間的距離在1cm以內，二者之間的空隙構成第四維，兩張膜一般不會發生任何交叉，各自運行。

直到兩張膜之間因為聚集很多能量而發生振動時，兩張膜發生了交叉，這個交叉的地方，就是宇宙的起始的奇點或黑洞的奇點，兩張膜的交叉處形成各自宇宙的奇點，並對各自宇宙釋放輻射和能量。

看到這，大家肯定震驚了，黑洞除了會吸引物質和能量，還會對外釋放東西，確實是的，這個已經被得到證實了，科學家多認為這種被釋放的物質不是我們能察覺的，稱之為“暗物質”，但是“暗物質”這種物質已經被證明真實存在。

如此一看，膜理論在解釋“奇點”這種概念時，也得到完滿的答卷，這也是為什麼霍金說，膜理論幾乎是近30年來唯一可能碩果僅存的理論了。

總結

雖然膜理論、弦論在很多地方還是有待發展的，對於很多現象的解釋弦論還是遇到盲點。

但是，這是人類第一次有一種理論能夠將現代物理學的兩大基石統一起來。

我們也能從弦理論中，似乎看見上帝在用他的琴彈彈奏出了我們現在這個宇宙。

生活中應該有精彩的知識和故事！

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