它是繼相對論和量子論之後物理學中最具革命性的想法。 但她說的是實話嗎？

文章作者 教授。愛德華·維滕 (1987)

從艾薩克·牛頓到阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾，理論物理學的傑出人物都試圖尋找自然基本力量之間的連結。如今，愛德華·威滕是這個問題最有前途（也最有爭議）的解決方案之一——弦理論的主要支持者。弦理論是一種宇宙的數學表示，它不是由台球狀的物質粒子構成，而是由在十個維度振動的微小圓弦構成。

如果正確的話，這個理論有可能為宇宙中的一切提供單一、一致的解釋，從原子內部的機製到宇宙的結構。但科學家可能需要一生的時間才能發明出檢驗這個理論的方法。

在本文中，K.C.科爾描繪了一位極其有才華的物理學家在數學和物理的邊界上辛勤工作的肖像。 <<相信自己所做的事情非常重要<<，愛德華‧維滕說。 <<然而，當一切都充滿猜測時，很難保持信心。

你學到的教訓之一就是不要放棄好主意——但你怎麼知道它們是好主意呢？

K. C. Cole 在 Omni 和《紐約時報》雜誌上發表了大量文章，並且是題為《交感振動：對物理學作為快樂生活的反思》一書的作者。

最近，她受科學技術中心協會委託進行了一項研究，重點關注婦女和少數族裔成員在科學領域的工作。

他邁著大步、堅定的步伐在房間裡踱步，像指揮一樣進行演講，粉筆在黑板上的“拉塔塔塔塔”聲聽起來就像他有時幾乎難以察覺的高音調的對位。他談到 「向量叢」、「瑣碎模組」和「自由圓形空間」。 有一次他停下來說了以下的話： 「到目前為止，我們一直生活在一個有限維度的世界。現在我邀請您翱翔到一個無限維度的世界»。

老師是來自新澤西州普林斯頓高等研究院的 Eduard Witten。

36 歲的威滕是當代最傑出的物理學家之一。他目前在紐約哥倫比亞大學數學系教授物理學在數學中的應用 «!» 數學「一門處理抽象、無形關係的學科」一直是物理學的有用工具 「一門處理現實世界的具體力量和物體的學科」。 威滕將一切顛倒過來，試圖證明物理學如何能促進數學的新見解。

「急於與愛因斯坦進行比較是不可取的，」普林斯頓大學物理學院的一位教員說道，「但當談到維滕時」他張開雙臂，做出了一種無助的姿態。 「他遙遙領先其他人。它引導了一群人走上了新的道路，創造了全新的領域。他展示了優雅而令人敬畏的證據，令人驚嘆不已」。

威滕似乎總是無所不在，發表關於宇宙學、數學和物理學各個方面的科學報告和講座。每當他講話時，物理學家都會全神貫注地聽。

他們的注意力可能從未像幾年前那麼大，當時威滕試圖認真對待一個看似奇怪且長期被遺忘的理論，該理論從根本上改變了我們對物理普遍性的概念。儘管很難具體指出是什麼使威滕成為物理學界的一股力量，但他對這一有爭議的理論的熱情使他成為了這一思想的最重要推動者，這一思想可能是過去 5 年來物理學界出現的最具革命性的概念——威滕聲稱，就像相對論和量子理論一樣具有革命性。

如果這個理論是正確的（維滕相信它的有效性最終可能會被證明），它可以為自人類文明誕生以來哲學家、詩人和神學家們提出的基本問題提供全新的答案：為什麼宇宙是這樣的，物質的起源是什麼？

《弦理論》 ，或通常所說的「弦理論」（有些學者稱之為「sueprstring理論」）， 它消除了眾所周知的宇宙由台球等粒子組成的形象，這些粒子被重力和電力等眾所周知的力排斥和吸引。 在本世紀的第三個十年，量子理論已經揭示，撞球具有某些奇怪的特性，使它們類似於波浪——它們是振動而不是空間中的定義點。現在， 弦理論假設這些點實際上是微小的圓圈，或閉合的“弦”。琴弦在微妙的共鳴中無形地振動。根據該理論，這些振動構建了宇宙中的一切——從光到螢火蟲，從重力到黃金。

當然，這些繩子是看不見的，也不能比喻為吊襪帶或繩子。由於它們無法用當今科學可用的任何手段檢測到，因此它們是數學曲線。談論弦，就像談論台球或波浪一樣，是嘗試用已知術語理解未知事物的簡單方法。事實是，物理學總是必須訴諸隱喻。 “說到原子，”量子理論之父、丹麥物理學家尼爾斯·玻爾曾經說過，“語言可以用在詩歌中。詩人對創造圖像比描述現實更感興趣。”

物理學家分解了原子，首先發現了電子、質子和中子，然後發現了更奇特的元素，例如中微子和所謂的夸克。他們發現了核力、重力和電磁力如何從這些粒子中建構分子和星系。但是，除此之外，沒有人知道為什麼電子存在或為什麼粒子會受到重力的影響。據其追隨者稱，弦理論有潛力為一切事物提供單一、一致的解釋，從單個原子的內部機製到宇宙的結構。

不幸的是，弦理論存在一些科學家認為的重大缺陷。只有當我們願意放棄認為物理世界是由四個眾所周知的維度（高度、長度、寬度和時間）定義的觀點，並假設存在其他六個隱藏維度（總共十個維度）時，數學一致性才具有如此引人注目的意義。

想像一下由一種或另一種基本物質組成的閉合弦——一個圓。

然後想像一下，圓不僅在三個通常的空間維度（加上時間維度）上旋轉、扭曲和振動，而且還在我們無法感知的其他六個維度上旋轉、扭曲和振動。

這個圓圈以無數的音調振動，就像一根十維小提琴弦發出宇宙版本的降A或E調。如果弦理論是正確的，這些振動可能決定宇宙中所有可能的粒子和力。

如果你要求他給你一個更清楚的解釋，維騰會微笑並聳聳肩。 「沒有人比我現在向你解釋的方式更能理解這一點，」他說。

十維繫統根本不困擾維騰：「這些增加的維度並不比物理學家思考的許多其他事物更奇怪。」然而，十維宇宙的概念以及缺乏任何可以在這個意義上提供證據的實驗數據使得許多物理學家採取了非常懷疑的立場。

顯然，弦理論有很多東西需要解釋。例如，她必須解釋六個附加維度如何保持不可見。這理論的擁護者想像這些維度被緊緊地「包裹」在比原子核小數十億倍的尺度上。然而，他們不知道為什麼或何時六個維度結束。其中一些科學家認為，它們很可能在數十億年前沒有與物理宇宙的其他部分一起膨脹。

這些疑慮絲毫沒有削弱維騰的信念。 「對弦理論的正確理解很可能會導致時空連續性的瓦解，」他說。 「弦理論畢竟是個奇蹟」。

威滕從普林斯頓大學畢業幾年後就開始獲得大學教授職位，並在 28 歲時被聘為教授。他曾獲得世界各地機構頒發的許多獎項，包括麥克阿瑟基金會的「天才獎」以及最近的美國國家科學基金會傑出青年研究員獎。

在物理學中，尋找明確解釋的努力總是顯而易見的，物理學向前邁進了一步，發現表面上不同的現象實際上是單一現象的各個方面。例如，牛頓的偉大發現是，導致蘋果落到地面的同一力使月球保持其地球軌道，使地球保持其太陽軌道。長期以來，人們認為磁、電和光之間沒有聯繫，直到 19 世紀，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和邁克爾·法拉第發現它們都是電磁力的表現形式。 相對論源自於愛因斯坦調和電磁學與經典力學的努力。

最近，物理學家熱衷於嘗試統一自然的基本力——重力、電磁力、「強」力（確保原子核中粒子的凝聚力）和「弱」力（它決定放射性、原子核自發解體導致能量發射等）——或者發現它們之間的聯繫。

電磁力、強力和弱力以及宇宙中存在的所有已知粒子都可以根據量子理論進行解釋，維滕稱之為「魔法」。這個理論開創了整個科學研究領域，威滕本人在其中做出了許多重要貢獻。根據量子理論，一切都是能量場相互作用的結果。場振動，但不僅以與一定量（因此稱為“量子”）能量相對應的特定模式或共振。這些共振是自然宇宙中已知的粒子和力量，事實上，物理學家使用巨型加速器粉碎原子並找到組成它們的粒子，有時將他們的工作稱為「共振狩獵」。

量子理論成功地闡明了許多現象，並促進了對亞原子過程的理解，這一事實導致了從雷射到半導體的許多奇蹟的產生。然而，量子理論無法解釋重力。試圖將重力納入這個理論架構的數學計算給出了無用的結果。

然而，引力與宇宙中存在的所有類型的能量相互作用，甚至光線也會受到它的影響。因此，引力必須符合同樣的自然定律。但這些法律是什麼？

愛因斯坦長期以來一直試圖在重力和電磁學之間建立聯繫，以便他仍然可以在單一的「統一理論」中解釋整個自然系統。他沒有這樣做。然而，1919 年，愛因斯坦收到了一位德國物理學家西奧多·F·E·卡魯扎 (Theodor F.E. Kaluza) 的來信，他認為電磁力可以理解為重力在第五維度的表現。卡魯札沒有解釋為什麼第五維度無法被感知。然而，1926 年，瑞典數學家奧斯卡·克萊因 (Oskar Klein) 認為這是因為第五維存在的尺度如此之小，以至於它不會影響任何事物，甚至不會影響亞原子粒子的大小。

時間弦理論是卡魯扎-克萊因理論的一個新的、更複雜的版本。就像克萊因假設的第五維一樣，弦理論假設的六個附加維度已經“收縮”，不知何故達到了不可見的程度。弦理論聲稱，如果我們接受這六個隱藏維度的概念，那麼阻礙先前調和量子理論與引力的嘗試的數學不一致就會奇蹟般地消失。

然而，我們不能確定弦理論是否真實地代表了現實。除了數學上的一致性之外，沒有證據表明六個附加維度的存在。然而，威滕指出，在過去的一百年裡，數學一致性一直是「物理學家最可靠的指南之一」。

在某種程度上，理論家的世界根據定義就是個人的世界。這項工作不需要試管或實驗室、迴旋加速器或大容量電子計算機，只需要鉛筆和紙，有時甚至不需要這些。儘管威滕的學生中包括一些正在攻讀研究生的學生，但他不願讓他們參與他的項目，其中學術思辨發揮著重要作用，因為他說，他不想危及他們的職業未來。

聽威滕談論他自己的職業生涯，你可能會相信成為物理學家幾乎是司空見慣的事情。儘管他的父親路易斯·維滕是一位專門研究重力的物理學家，但他表示自己並沒有在很大程度上受到家庭的影響。 「我正準備做其他事情，」他解釋道。

威滕在巴爾的摩長大，畢業於馬薩諸塞州布蘭代斯大學，獲得歷史學位，儘管他的主要興趣是語言學。在普林斯頓大學開始研究生學習之前，威滕撰寫的文章發表於 國家, 新共和 和其他雜誌。 1972 年，他作為顧問的立法助理，為總統候選人喬治·麥戈文的競選活動工作了六個月。維滕今天聲稱，他不具備從事廣告或政治職業所需的素質，尤其是「現實感」。當他開始在普林斯頓大學學習時，他非常接近選擇數學，然後決定選擇物理。

威滕的同事們在談到他的優點時對他更加慷慨，尤其是他對當今弦理論受到關注的貢獻。

物理學家並沒有試圖發展這個理論，也沒有太多關注卡魯札-克萊因理論。發生的事情是，他們在黑暗中偶然發現了它，之後他們不斷地嘗試賦予它精確的形式。 「我認為沒有哪個物理學家有足夠的洞察力來故意發明弦理論，」威滕說。 「幸運的是它是偶然發明的」。

1968 年，義大利物理學家加布里埃爾·韋內齊亞諾 (Gabriele Veneziano) 在研究強力（將原子核粒子結合在一起的黏合劑）時，偶然發現了維滕所說的「一個具有一些奇怪性質的公式」。幾年後，由於芝加哥大學的南部陽一郎和其他人所做的研究，物理學家「意識到這個奇怪的公式定義了某些弦的振動」。

多年來，弦理論引起了人們的廣泛興趣。然而，到了上個十年中期，它基本上被放棄，部分原因是其他思想途徑似乎更有希望，部分原因是該理論暗示了不可接受的附加維度想法的謬論。

「當他們意識到這只有在 10 維框架中才合理時，」威滕說，「大多數物理學家離開了這個領域。」他自己對這一理論的興趣主要是由物理學家約翰·H·施瓦茨 (John H. Schwarz) 所做的研究引起的。 加州理工學院 和邁克爾·B·格林（Michael B. Green） 瑪麗皇后學院 來自倫敦。威滕回憶說，為了讓自己了解這個理論，他付出了「幾個月的努力」。 “這與任何人以前見過的都不一樣，”他補充道。 “沒有人給你鼓勵。”

施瓦茨和格林在本世紀初發表的一系列報告似乎重新燃起了人們對弦理論的興趣。 1984 年，他們發表了一份重要報告，根據諾貝爾獎得主、德州大學物理學家史蒂文溫伯格的說法，該報告回答了威滕也提出的問題。

這個問題涉及試圖將重力與量子場論結合的理論中出現的異常現象。就理論而言，異常現像是指產生荒謬結果而毀滅理論的缺陷，維騰和哈佛大學的路易斯‧阿爾瓦雷斯-高梅一樣發現了一類新的異常現象。同時，他展示了一件更重要的事情（…）

弦理論假設，如果我們能夠看到宇宙的十維整體，就會出現一種新的對稱性，所有的力和粒子都會在我們看來作為一個連貫整體的各個方面。

層認為異常的起源是拓樸學的，換句話說，它與在四維存在時不出現但在十維存在時出現的幾何性質有關。

威滕將拓撲學視為“心理結構”，拓撲學研究不同維度中扭曲或變形的幾何圖形的屬性。一想到拓樸學可能不為專家所知，他就感到驚訝。 「這就像說他們不知道如何用散文說話一樣，」他借用了莫里哀的一​​個笑話說道。例如，帶有別針的杯子在拓撲上相當於椒鹽捲餅。如果杯子是用軟黏土製成的，則可以將其重新塑造成椒鹽捲餅形狀，而不會破壞材料。 「這很明顯，」威滕說。 「當你打破物體時，物體的某些屬性會發生變化，但當你透過彎曲改變物體的形狀時，它們不會改變。」然而他承認，過去連物理學家都沒有認真對待拓樸學。 」

威滕非常重視拓撲學，因為現實世界是否可以用弦理論解釋的問題不僅取決於附加維度的存在，而且還取決於它們在空間中呈現的形狀——例如，它們是管子的形狀還是百吉餅的形狀，或者它們是否是球體。

在《平面國》中，著名的維多利亞科幻小說作家埃德溫·阿博特雄辯地證明，在一個維度中顯得令人困惑和晦澀的東西在另一個維度中可以變得晶瑩剔透。在他假設的二維三角形和正方形的世界中，三維球體是一個難以理解的物體。當它穿過這個平坦的空間時，球體首先表現為一個點，然後變成一個擴大的圓，最後再次收縮為點形式並消失。二維生物只能看到一個二維的物體。只有三維觀察者才能從視覺上感知整個球體。

弦理論假設，如果我們能將宇宙視為十年的整體，就會出現一種新的對稱性，而令人困惑的眾多力和粒子將被證明只是同一連貫整體的不同面向。

不幸的是，十維空間固有的這種誘人的對稱性並不容易轉化為四維粒子和力。它的感知需要極其微妙的數學工具，這些工具可能還沒有被發明出來。

幾年前，威滕與一位同事進行了一次談話，這次討論給他留下了深刻的印象。 「他談論的是一位非常有才華的物理學家，但他的生產力並沒有達到他應有的水平，」威滕解釋道。 「他的觀點是，原因是這位物理學家從來沒有研究過他真正適合解決的問題。」威滕非常認真地對待他同事的話所暗示的建議。 EI 認為自己是「解決物理問題並根據一些奇怪的數學運算找到解決方案」的合適人選。 「弦理論，」他繼續說道，「需要大量新的數學知識，而將奇異的數學應用於物理學是我的專長。」在最後幾場！年。

威滕聲稱自己是物理學家和數學家新聯盟的主角之一，這個聯盟是由弦理論建立的。 “我認為他是第一主角”，麻省理工學院數學教授 I.M. Singer 說道，“他的直覺非常棒。”威滕本人認為他最重要的一些貢獻是對數學的貢獻，而不是對物理學的貢獻。

人類在理解宇宙方面取得的大部分偉大進步都歸功於物理學和數學之間的密切聯繫。牛頓必須發明一種新型數學——微分和積分——來完成他的引力理論。愛因斯坦的廣義相對論是基於德國數學家 F.B. 發明的彎曲空間幾何。 19世紀中葉的黎曼。量子理論需要一種稱為「泛函分析」的工具。

威滕說弦理論「把我們帶到了數學的前沿」。然而，這並沒有嚇倒他們。 「我意識到我實際上可以扭轉一切。」他補充道，並在物理學的幫助下獲得一些關於數學的令人驚訝的見解」。

物理和數學的新結合第一次讓物理對維滕來說變得非常困難。這也是他接受邀請到距離普林斯頓大學僅一箭之遙的著名高等研究院工作的原因之一，在那裡他不必履行主席的職責。 「我想在更少的事情上更集中地工作，」他承認。威滕目前正在研究的所有「事物」都是弦理論的各個面向。

威滕的結論目前無法在實驗室得到驗證，在可預見的未來也是不可能的。事實上，他所做的一切都與可觀察到的現實相去甚遠，以至於他的理論見解的價值及其最終的實際應用可能需要一生或更長時間才能為人所知。理論物理學是一項有風險的事業。 「相信自己正在做的事情非常重要，」威滕說。 “然而，當一切都充滿猜測時，很難保持信念。”

“你學到的教訓之一是不要犯錯誤，但這對你沒有多大好處。另一個教訓是不要放棄好的想法，但你怎麼知道它們是好的？”

威滕指出，中子星和重力透鏡——外太空中存在的大量物質，從地球上觀察時，會產生恆星的雙重圖像——在它們被真正發現之前，一直被認為是幻想的概念、純粹的猜測。 “科學史上充滿了新想法的有效性永遠不會被證明的預測。但物理學史表明，好的想法最終會被證明是正確的。”

威滕認為弦理論好得令人難以置信。它看起來困難和複雜，只是因為它還沒有被充分理解。根據威滕的說法，弦理論目前是： “本來屬於21世紀的物理學，一不小心就掉到了20世紀。” 今天的物理學家只與 「與等待我們的盛宴相比，只是一些麵包屑」。

然而，威滕有時擔心困難太大。 “這個理論在未來幾年內引導我們走向任何地方的可能性不是很高”，他承認， 「但如果我不嘗試，我就會感覺到我的洞察力已經離開我了」。

日內瓦歐洲核子研究中心理論物理學專家之一約翰‧艾利斯最近寫道： 「弦現象學仍然是一門年輕的學科。有許多懸而未決的問題和技術問題，很容易嘲笑這一理論的推動者的極權主義熱情。然而，引用幾年前我拆開的糖果包裝紙上寫的一句話，「只有樂觀主義者才能在這個世界上取得任何成就。 」

或者，用維騰的話來說： 「如果我們要證明弦理論，我們可能需要運氣。但在物理學中，有很多方法可以讓我們變得幸運。”