弦理論也許是當今所有科學中最有爭議的大概念。一方面，它是一個數學上令人信服的框架，它具有將標準模型與廣義相對論統一起來的潛力，提供了對引力量子的化描述，並提供了關於我們如何看待整個宇宙的深刻見解。另一方面，它的預測在地圖上到處都是，在實踐中是不穩定的，並且需要大量的假設，而這些假設又沒有大量的科學證據支援。

圖注：弦景觀可能是一個充滿理論潛力的迷人的想法，但它不能解釋為什麼像宇宙學常數、初始膨脹率或總能量密度這樣的微調引數的值具有它們所具有的值。儘管如此，了解這個值為什麼會出現在它所做的特定值上是一個微調問題，大多數科學家認為這個問題有一個物理動機的答案。

也許在過去的35年裡，弦理論一直是理論粒子物理學中的主要思想，它產生的科學論文比任何其他想法都多。然而，它甚至還沒有產生一個可測試的預測，導致許多人譴責，它甚至還沒有上升到科學的標準。弦理論是整個理論物理學史上輝煌的思想之一，也是我們最失望思想之一，既是現代物理學的夢，也是現代物理學的噩夢。

圖注：當一個介子，如這裡所示的一個魅力-反魅力粒子，其兩個組成粒子被拉得太大時，它在能量上有利於從真空中撕裂一個新的（輕的）夸克/反夸克對，並在以前有一個介子的地方產生兩個介子。這不是一個成功的創造自由夸克的方法，但這一認識確實產生了強相互作用的弦模型

故事開始於20世紀60年代末，當時粒子加速器剛剛進入鼎盛時期。在20世紀50年代發現反質子後，開始建造更大、更有能量的粒子加速器，導致一系列新的粒子產生於相互碰撞帶電粒子到其他帶電粒子中。新發現的粒子有三種類型：

重子，像質子、中子和它們較重的表親，反重子，像反質子，反中子，和更重的重子，它們與重子的比例是1:1，介子，有各種各樣的品質和生命期，但都是不穩定的，很快就衰變了。

但有一件有趣的事情需要注意的是，介子在衰變之前就像棒磁鐵。如果你摔斷一個棒磁鐵（北極和南極），你並不會得到一個獨立的北極和南極，而是兩個磁鐵，每個都有自己的北極和南極。同樣，如果你試圖把一個介子拉開，它最終會“折斷”，在這個過程中產生兩個獨立的介子。

圖注：磁力線，如條形磁鐵所示：一個磁偶極子，南北極結合在一起。這些永磁體即使在任何外部磁場消失後仍保持磁化狀態。如果你把一塊磁棒一分為二，它不會產生一個孤立的南北極，而是兩個新的磁鐵，每個都有自己的南北極。介子以類似的方式“折斷”。

這就是弦理論最初的起源：作為強核相互作用的弦模型。如果你把介子想象成弦，那麼把它拉開會增加弦的張力，直到你達到一個臨界時刻，產生兩個新的介子。基於這個原因，弦模型很有趣，但它預測了一些看起來與現實不符的奇怪現象，如自旋2玻色子（這是未觀察到），事實，自旋1狀態不會變得大規模對稱中斷（即，沒有希格斯機制），需要 10 或 26 維。

後來發現了漸近自由的思想，量子色動力學（QCD）理論應運而生，弦模型不再受歡迎。QCD在沒有這些病理學的情況下非常好地描述了強核力和相互作用，這個想法被放棄了。現在已經完成的標準模型不需要這個新的、深奧的、同時也是毫無作用的框架。

圖注：在高能（對應於小距離）下，強力的相互作用強度降為零。在很遠的距離，它會迅速增加。這一思想被稱為“漸近自由”，已經被實驗證明是非常精確的。

但大約十年後，這一思想被重新注入了現在所稱的現代弦理論。與其在核相互作用很重要的能量尺度下工作，不如把能量尺度一直延伸到普朗克能量，在普朗克能量下，毫無意義的自旋-2粒子現在可以扮演引力子的角色：負責量子引力理論的理論受力粒子。自旋1粒子可能是光子，其他激發態可能與已知的標準模型粒子有關。

突然間，在這個新的框架下，一個長期追尋的夢想似乎觸手可及。一方面，弦理論突然使粒子和相互作用的標準模型與廣義相對論相一致成為可能。通過把每一個基本粒子看作是以特定的、獨特的頻率振動的開弦或閉弦，而把自然界的基本常數看作弦理論中真空的各種狀態，物理學家們最終可以希望把所有的基本力統一起來。

圖注：費曼圖（上圖）基於點粒子及其相互作用。將它們轉換成弦理論的類似物（底部）會產生具有非平凡曲率的曲面。在弦理論中，所有的粒子都是一個基本結構的不同振動模式：弦。

但你從弦理論中得到的並不是這麼簡單。你不會簡單地得到標準模型和廣義相對論，而是更大、更巨集大的東西，包含了標準模型和廣義相對論，還有更多。

首先，弦理論並不是簡單地將標準模型作為它的低能極限，而是一種被稱為N=4超對稱楊-米爾斯理論的規範理論。通常，您聽到的超對稱涉及標準模型中存在的每個粒子的超對稱粒子，這是N=1超對稱的一個示例。弦理論，即使是在低能極限下，也需要比這更大的對稱度，這意味著對超對稱粒子的低能預測應該出現。事實上，即使在大型強子對撞機的能量下，我們也發現了0個超對稱粒子，這對弦理論來說是一個巨大的失望。

圖注：標準模型粒子及其超對稱對稱粒子。這些粒子中略低於50%被發現，而略多於50%的粒子從未顯示出它們存在的痕跡。超對稱是一個希望改進標準模型的想法，但它尚未對宇宙做出成功的預測，試圖取代主流理論。如果能量沒有超對稱性，弦理論肯定是錯誤的。

另一方面，弦理論，即使是在“只有”10維的情況下，也不會給你廣義相對論作為你的引力理論，而是一個10維布蘭斯-迪克（Brans-Dicke）引力理論。你可以從中得到廣義相對論，但前提是你把布蘭斯-迪克（Brans-Dicke）引力理論耦合常數（ω）取到無窮大，並且以某種方式從關聯中去掉6個維度。

如果你聽過在弦理論中使用的“緊化”這個詞，這就是它的含義：一個手勢暗示，不知何故，這些額外的維度和額外的引數（ω）變得不重要。弦理論本身並沒有提供一個令人信服的方法來擺脫這些額外的維度或使布蘭斯-迪克引數不重要。這一定不重要；布蘭斯和迪克提出的原始工作表明，一個ω約為5可能很有趣；現代相對論測試表明，一個ω必須大於10000左右。

圖注：Calabi-Yau流形的二維投影，是緊化弦理論多餘維數的一種常用方法。馬爾達契納猜想認為反德西特空間在數學上與一維共形場理論是對偶的。這可能與我們宇宙的物理學不相關。

弦理論也沒有告訴你基本常數應該有什麼值，因為它沒有提供具體的方法來計算這些產生基本常數的字弦真空。這包括c(光速)，h(普朗克常數)，G(引力常數)，力的耦合常數，基本粒子的品質，夸克和中微子的混合角，以及宇宙學常數。弦理論沒有提供計算這些基本值的線索。

然而，弦理論的潛力提供了一個可能的引力量子理論吸引了大多數理論物理學家，由於缺乏可靠的替代理論，這一領域一直存在。儘管存在四種量子引力選擇：

環量子引力，漸近安全引力，因果動態三角剖分，熵引力，

只有弦理論提供了一條通往聖盃的正確道路，在那裡所有的標準模型都與引力統一。

圖注：宇宙的膨脹是加速還是減速，不僅取決於宇宙的能量密度（ρ），而且還取決於各種能量成分的壓力（p）。對於暗能量這種壓力很大且為負的物質，宇宙會隨著時間的推移而加速，而不是減速。弦理論，需要反德西特空間，預測一個錯誤符號的宇宙常數，以匹配我們對暗能量的觀測。

然而，這個領域充滿了問題。上述的N=4超對稱楊-米爾斯理論和高維空間中的弦之間的對應關係是弦理論中最大的理論突破之一，然而它對應的“空間”是反德西特空間（AdS），它用錯誤的指示牌（相反是負的）預測宇宙常數（積極的），以贊同我們對宇宙的觀察。

弦理論為黑洞熵問題提供了許多見解，但許多人認為，這些觀點大多被誇大了，我們對黑洞熵的理解不如我們所宣稱的那樣好。當你看到那些已經被發現的介子品質的顯式預測時，通過晶格技術，它們與觀測值的差別在於，它們的數量對於任何其他理論來說都是一個破壞因素。

圖注：在左側，許多觀測到的介子和量子態的實際品質與在弦理論中使用晶格技術對這些品質的各種預測相比。觀測和計算之間的不匹配是弦理論家要解釋的一個巨大挑戰。

儘管如此，還是有很多人被這一理論的數學魅力所吸引。它將量子場論、超對稱、大統一理論、超引力、超維和廣義相對論的概念整合在一個單一的框架中。最初，有許多不同的弦理論被提出，但是數學上的進步表明，它們都是等價的，或者說是對偶的。

然而，每一次我們尋找一個可能與弦理論有關的可觀察到的東西，在它超越標準模型的意義上，我們得出空。宇宙常數是錯誤的指示牌，超對稱粒子無處可尋，額外維度或非無限布蘭斯-迪克引數沒有證據支援它們。基本常數，以及存在於我們宇宙中的粒子的品質，還沒有被成功預測。

圖注：我們今天所看到的力、粒子和相互作用都是一個整體理論的表現，這個觀點很有吸引力，需要額外的維度和大量新的粒子和相互作用。弦理論中甚至沒有一個經過驗證的預測，再加上它甚至無法對已知值的引數給出正確的答案，這是這個聰明想法的一個巨大缺陷。

正如許多人所見，問題在於弦論是一個非常好的想法，人們很難放棄好的想法，無論他們的追求多麼徒勞。儘管它不是一個強相互作用的理論，但它提供了可能成為現代物理學聖盃的萌芽：一個將廣義相對論與標準模型統一起來的量子引力理論。

只要我們沒有證據證明弦理論一定是錯的，人們就會繼續追求它。但要反駁這一點，就需要像證明普朗克尺度範圍內沒有超粒子存在一樣的東西，這是今天實驗物理學所無法企及的。

我們都同意弦理論對於它所持有的可能性是有趣的。然而，這些可能性對我們的宇宙是否相關或有意義，是科學尚未肯定的。