为什么会认为弦理论是终极大统一理论？ _小知识

物理学中未经证实但最精采、最具争议的理论之一是弦理论。弦理论的焦点是贯串物理学几个宿世纪的思惟本家儿线，作为统一个框架的一部门，在某些层面上，所有分歧的力、粒子、彼此感化和实际表示被绑缚在一路。不是四种自力的天然根基力（引力、电磁、强和弱力），而是一种同一的理论涵盖了所有这些。

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弦理论的焦点不是0维的粒子，而是组成宇宙的一维弦。图片：flickr user Trailfan
在很多方面，弦理论是引力量子理论的最佳竞争者，它在最高能量标准上实现同一。尽管没有尝试表白，但仍有令人信服的理论依据证实这一点。早在2015年，顶尖弦理论学家埃德·威滕就关于弦理论的所有常识写了一篇文章。即使你不是一个物理学家，也是如斯。

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尺度量子场论彼此感化（L），点粒子，弦理论彼此感化（R）和封锁弦之间的差别。图片：Wikimedia Commons user Kurochka
当谈到天然纪律时，在看似不相关的现象之间几多是有相似之处并值得注重。它们背后的数学布局经常是相似，有时甚至是完全不异。按照牛顿定律，两个年夜天体之间引力的体例几乎与带电粒子吸引或排斥体例完全不异。钟摆摆动的体例完全近似于弹簧上质量往返移动体例，也近似于行星绕恒星运行的体例。引力波、水波和光波都有着很是相似的特征，尽管它们的物理发源底子分歧。同样的，固然年夜大都人都没有意识到单粒子量子理论以及若何接近引力量子理论也是近似。

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上图是电子与电子散射的费曼图，它需要对粒子与粒子之间彼此感化的所有可能进行乞降。图片：Dmitri Fedorov
量子场论的道理是取一个粒子，然后进行数学上的所有可能乞降，不克不及仅仅计较粒子在哪里，以及它是若何达到那边的，因为天然有一个固有的，根基的量子不确定性。相反把所有可能达到它此刻状况的体例(“曩昔的汗青”部门)加起来用恰当的概率，然后就可以计较单个粒子的量子态。
若是想用引力来取代量子粒子，必需稍微改变一下这个设法。因为爱因斯坦的广义相对论与粒子无关，而是与时空的曲率有关，所以不克不及对粒子的所有可能的汗青进行平均，代替这一点，可以代替时空几何的所有可能。

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由爱因斯坦的引力理论，以及由量子物理学支配的其他事物（强、弱和电磁的彼此感化）是支配我们宇宙万物的两个自力的法则。图片：SLAC国度加快器尝试室
在三维空间中工作长短常坚苦的，当物理问题具有挑战性时，凡是会起首测验考试解决一个更简单的问题。若是将难度降到一维，工作就会变得很是简单。独一可能的一维曲面是一个开弦，此中有两个自力的、不相连的端点，或者是一个闭弦，两个端点毗连在一路形当作一个轮回。此外空间曲率在复杂三维空间中变得眇乎小哉。
所以若是想插手物质，剩下的就是一组标量场（就像某些类型的粒子一样）和宇宙常数（就像质量项一样）。粒子在多个维度上获得的额外自由度并没有起到很高文用；只要能界说动量矢量，那就是最主要的维度。是以在一维中，量子引力就像肆意数目维度中的自由量子粒子。