在20世紀90年代初，弦理論處於理論發展的困境，幾十年來，理論物理學家們傾注了他們的心血，認為現實的基本組成是微小振動的弦。
這是一個潛在的革命性想法，能夠將自然界的所有力和物質的所有組成統一到一幅單一和諧的圖景中。然而，令人頭疼的是，弦理論有五個獨立的候選者，每一個看起來都與其他截然不同，哪一個可能是對的呢？
五種不同的弦理論
這五種不同的弦理論有幾個共同點：首先，它們都涉及到字符串；它們還要求宇宙總共有10個維度（通常的3個空間維度，加一個是時間維度）還有6個更微型維度，這些維度很小，在亞微觀尺度上蜷縮在自己身上。在所有理論中，弦的振動方式帶來了我們物理世界的豐富性，從自然力到物質的基本組成，再到物理常數本身。
但當談到物理理論時，細節很重要，五個相互競爭的弦模型在細節上有所不同。一些理論只有閉合的弦環，而另一些理論則允許開放、擺動的弦。一些理論只允許振動在弦上朝一個方向傳播，而另一些理論則允許兩個方向都有，有些理論是其他理論的組合。如果你感興趣，可以參考一下這五種弦理論的名字是：Type 1、Type IIA、Type IIB、SO(32)heterotic和E8xE8 heterotic。
它們顯然不可能都是對宇宙的正確描述，但哪一種是“真正的”弦理論，哪一種是假的呢？問題是弦理論是不完整的（今天仍然是），如沒有弦理論的最終方程，用物理學家描述理論的方式來描述，就像愛因斯坦引力方程或麥克斯韋方程來描述電磁學一樣。理論物理學家只有希望，但無法證明接近實際理論的近似值。因此，五種弦理論代表了五種不同的近似，無法決定哪一種是最好的。
雙重性
1995年著名理論物理學家愛德華·威騰在一年一度的弦理論會議上做了一次演講。在演講中，他提出了一個創新式的建議：也許五絃理論畢竟沒有太大的不同。事實證明，這五種理論之間存在著有趣的聯繫，稱為對偶性或對稱性。例如，關於弦，我們不知道它們交互的程度有多強。但是如果你採用，比方說，Type 1並增加它的相互作用強度，最終會得到SO(32)heterotic的較弱版本。
而且還有更多，有時弦可以用一定的動量，繞著一個微小卷曲的維度纏繞一定的次數，但它的雙重性會使纏繞的數量和動量反轉。Type IIA和Type IIB弦理論由這樣的雙重性聯繫在一起。這些雙重性表明，這五種弦理論在某種程度上都是相關的，並且正在探索更深層次的東西。更深層的東西可以通過遵循所有雙重性來猜測，通過嘗試五種弦理論上的兩個雙重性：
有時會得到其他幾種理論中的一個鏈接，有時會得到一個新的雙重性。那個“新地方”是什麼意思？Edward Witten建議將其稱為“M理論”，在我們真正理解它之前，“M”是可以解釋的（例如“膜”）。M理論就像一個超弦理論，展示了所有五個弦理論實際上只是一個更大、更神秘理論的一個小角落。理論物理學家過去常常認為五種弦理論是獨立的行星，理論和數學探索侷限於這些行星上的小島。
M理論
但M理論顯示，所有這些島嶼實際上一直共享同一顆更大的行星。M理論的一個奇怪特徵是（我們對它知之甚少）：認為弦理論似乎只是真實情況的低能量近似，而現實需要的不是宇宙的10個維度，而是11個維度。更重要的是，現實的基本對象不再是弦，而是d-brane。“Brane”只是多維振動事物一個花哨的詞，字母“d”表示維度，從1膜(弦)到2膜(薄片)到3膜(斑點)等等，應有盡有。
在很大程度上，這些膜處於低位，大多隻是像弦一樣發揮作用，第11維在宏偉的宇宙交響樂中並沒有起到太大作用。除此之外，人們對M理論知之甚少，弦理論家通常在五種通常的體系中的一箇中工作，因為他們已經被很好地研究了幾十年，而額外維度和膜的引入，使得已經很兇猛的弦理論數學變得更加糟糕。儘管如此，理論家們仍在繼續探索邊緣，希望有一天能給M理論中的“M”起一個全稱。
博科園｜作者：Paul Sutter（紐約州立大學石溪分校天體物理學家）
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