一個你從未聽說過的科學家是如何使弦理論成為可能的。
2012年9月7日，理論物理學家克勞德·洛夫萊斯去世。這位古怪的羅格斯大學教授既沒有家人，也沒有親密的夥伴，他喜歡一邊聽古典音樂，一邊思考統一場論的細微差別。作為一個與同事關係不是特別親密的獨來獨往者，當他將自己全部150萬美元的財富遺贈給同事時，物理和天文系的成員們都感到震驚和欣喜。這些資金被用來幫助在物理學的實際領域中確立自己的位置。他還將自己收藏的4000多張古典音樂CD捐給了羅格斯大學藝術學院，並將自己的遺體捐給了醫學院。
雖然媒體很少提及洛夫萊斯的去世，但可以說，他關於弦理論一致性所需的高維數的一項重要發現，對該領域的歷史產生了至關重要的影響。這一驚人的結果使他成為20世紀70年代初最有影響力的理論家之一。弦理論家仍在與它的影響作鬥爭。
讓我們回到1970年，那時弦理論還處於初級階段。雖然這些天我們把弦和“萬物理論”聯繫在一起，但那時候它們被用來(作為弦模型)描述強核力的特性。今天我們知道，把夸克凝聚成質子和中子，而這些質子和中子又轉變成原子核的強相互作用，是由一種叫做膠子的交換粒子來傳遞的。夸克與膠子的相互作用產生了一種被稱為“約束”的情況，它能防止核粒子飛離：如果沒有QCD的約束，原子核就會不穩定，我們也就不會在這裡。
然而，在夸克和膠子被發現之前，日本物理學家南部洋一郎等人提出了弦理論，作為一種解釋質子、核子和其他受強子作用的粒子之間的強大化學鍵的方法。(該理論從幾何上呈現了加布裡埃萊·維納齊亞諾較早提出的一種方法，稱為“雙重共振”)研究人員將這種鍵建模為以不同模式振動的高能弦，就像以不同方式撥動的吉他弦，產生不同的和聲。就在那時，洛夫萊斯以一個年輕研究者的身份進入了人們的視野，希望取得突破。
- 連接兩個粒子的強子弦
洛夫萊斯1934年出生於英國，16歲時就學會了廣義相對論。那時，他和家人已經搬到了南非，並在那裡上了開普敦大學。1958年，他回到英國，在巴基斯坦物理學家阿卜杜斯·薩拉姆的指導下，在倫敦大學帝國理工學院完成了自己的研究生工作。
洛夫萊斯在2003年7月接受我的電子郵件採訪時回憶道，
我是個早熟的孩子。我在16-17歲時讀過愛因斯坦和狄拉克的著作，並做了一些非常業餘的嘗試來構建統一的場論。這可能會讓我以後對他們產生反感。薩拉姆後來因將弱相互作用和電磁相互作用結合起來而獲得諾貝爾獎，他是我的論文導師，但我對他更大膽的推測不太感興趣。”
沒有完成他的博士學位，洛夫萊斯去了歐洲核子研究中心，在那裡他開始探索一個關於強子弦理論的問題。研究人員已經開始使用兩端鬆散的開放弦和閉合弦，以一個循環的方式連接，來模擬兩種類型的相互作用，這兩種相互作用在當時分別被稱為雷格子和波美隆。要構建一個真實的波美子場論，需要一個統一性的性質：一個數學條件，通過這個條件，在轉換過程中矢量的長度得以保留。一元算子使矢量在抽象空間中旋轉，就像針在羅盤上旋轉一樣。當針轉動時，它保持同樣的長度。
類似地，酉算子可能改變矢量的分量，但其大小不變。在量子理論中保持大小通常意味著保持相同的總體概率，從而顯示出相似的物理性質。否則，奇怪的現象就會在沒有物理依據的情況下憑空出現。因此，統一性是理論的基本要求。
理論家們曾試圖設計一個在時空四維空間中是單一的波美隆閉弦理論，但沒有成功。相反，這個理論產生了一種叫做速子的怪物，它無視因果法則。速子是一種粒子或場，它的速度比光還快，並且在時間上向後運動。雖然一些研究人員，如格雷戈裡·本福德已經推測了它們的性質，但它們從未被現實物理理論所接受。大多數物理學家認為，擁有一個具有速子的物理理論的唯一可行的方法是它們與該理論分離，這意味著它們不會影響由該理論產生的可觀察到的現象，如截面和散射振幅。
- 科學哲學家約翰·諾頓在這張圖中描述了速子的矛盾本質
恍然大悟的那一刻，洛芙萊斯突然意識到解決問題的辦法就在眼前。假設人們放鬆了弦存在於四維世界的假設。他把他們周圍環境的維度越調越高，發現恰好在D = 26時，速子問題消失了，統一性恢復了。他幾乎不相信這樣一個奇怪的結果。
他知道，早期的統一自然法則的嘗試有時會利用一個看不見的額外維度。西奧多·卡魯扎和奧斯卡·克萊因的工作獨立地利用第五維度，在廣義相對論的延伸中，努力將引力與電結合起來。甚至愛因斯坦在20世紀30年代和40年代早期也嘗試過五維統一，但後來他放棄了這一想法，轉而採用其他統一方法。然而，這是一個相當大的飛躍，從5維到26維；後者似乎高得離譜。
1970年12月，拉夫萊斯在普林斯頓的一次研討會上做了一次關於他的工作的報告。事情進展並不順利。“我記得它的信號很差，”洛夫萊斯說。“我把這26個維度當成了一個笑話，它確實能帶來笑聲。”
儘管如此，他還是將他的研究結果發表在了一篇題為《波美隆形式因素與雙重雷吉削減》的論文中。它出現在1971年的《物理評論快報》上。雖然“認為這很愚蠢”他把D = 26的結果埋在了論文的最後，但弦理論家注意到了這一點，他們都驚呆了。
“洛夫萊斯的論文讓所有人都大吃一驚，”當時在普林斯頓的加州理工學院物理學家約翰·施瓦茨在2000年的一次演講中回憶道，“因為在那之前，沒有人考慮過讓時空的維度不為4。”畢竟，我們在做強子物理，4肯定是正確答案。”
施瓦茨成為超弦理論的主要開發者之一。超弦理論是弦理論的一個版本，它不僅用弦來模擬載體，也用粒子來模擬載體。超弦利用了超對稱性——一種將代表力的場轉換成代表粒子的場的假設方法，反之亦然。該理論的一個好處是，它自然地預言了帶有自旋為2的量子性質的力載體的存在。自旋兩個場符合引力子的特徵，引力子是引力相互作用的載體。因為這個原因，超弦被視為一種可能的途徑，來統一所有的自然力：重力、電磁力、強力和弱力。
研究人員得出了超弦理論一致的量綱。結果是D = 10。也許，如果洛夫萊斯沒有得出他早期的結論，那麼觀察如此之多的維度的想法就會顯得很荒謬。然而，以26為比較，10似乎更合理。m理論後來又增加了一個維度，將11作為標準。除了4個維度外，其他維度都是捲曲的或無法進入的；這就是為什麼我們不能直接體驗它們。
拉芙萊斯於1971年搬到羅格斯大學，儘管沒有博士學位，她還是獲得了一個教授職位。在他的整個職業生涯中，他一直呆在那裡，努力研究各種不同版本的弦理論的細微差別，而他的長尾小鸚鵡則用它們自己的一種線來玩。他的CD播放機裡播放著絃樂四重奏的旋律，充滿了他沉思的空間。雖然和愛因斯坦一樣，他從未實現過統一，但他在這個過程中找到了巨大的樂趣。
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