摘要：弦理论是万物理论最著名的候选者——一个数学框架，它将量子力学所描述的非常小的世界和阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所描述的非常大的世界融合在一起。

弦理论仍然是我们万物理论的最佳候选者，但在哪里可以测试它呢？通过研究黑洞，Marika Taylor 说。

一位艺术家对宇宙弦的抽象插图。 （图片来源：PASIEKA via Getty Images）

弦理论是万物理论最著名的候选者——一个数学框架，它将量子力学所描述的非常小的世界和阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所描述的非常大的世界融合在一起。

到目前为止，这两个理论彼此不一致，问题来自引力。为了整合引力（在其他三个基本力很强的小尺度上引力很弱），弦理论假设宇宙是由微小的一维弦组成的，这些弦的振动产生了我们看到的粒子。

问题在于，弦理论的许多预测，例如存在大量可能的宇宙，而我们生活在其中的宇宙是从宇宙边缘投射的全息图，到目前为止，它们仍然顽固地无法测试。这导致该理论的权威批评者彼得·沃特 （Peter Woit） 指责它“甚至没有错”。

但他的描述公平吗？为了讨论弦理论、它对宇宙的影响、它可以在哪里进行测试，以及它对数学和科学已经做出的贡献，我们在伦敦的 HowTheLightGetsIn 音乐节上与 Marika Taylor 进行了座谈。Taylor 是英国伯明翰大学 （University of Birmingham） 副校长兼工程与物理科学学院院长，她的研究重点是使用弦理论和黑洞观测来构建量子引力理论。以下是她不得不说的：

Ben Turner：什么是弦理论，为什么它很重要？

玛丽卡·泰勒：弦理论是一种统一了所有自然力的理论，它使我们能够描述引力。

为什么这很重要？嗯，我的意思是，首先，你可以说，人类自古以来就一直在试图描述我们周围的自然世界。这就是导致人们从早期开始写下对自然世界的描述的原因。从某种意义上说，这是最终的一步，万物的理论。

所以这是人类好奇心推动的。但是有很多观察结果，物理现象，我们实际上无法用现有的理论来解释。因此，这驱使我们创造了一个解释一切的终极理论。

BT：那么弦理论的关键假设是什么？它与广义相对论有什么不同？

MT： 对我们来说，一个基本假设是，该理论需要简化为 [它们适用] 领域中已知的、成功的理论。因此，它必须简化为爱因斯坦的理论，而爱因斯坦的理论非常有效。

但在更基本的层面上，我认为一些假设是，这是一个存在可预测时间演变的理论。因此，如果你在某一时刻知道宇宙的状态，那应该唯一地决定以后宇宙的状态。

除此之外，很难描述弦理论，因为从某种意义上说，它不仅仅是一个理论——它实际上是一个景观。因此，在某些 Regimes 中，你可能会根据字符串的实际行为来堆叠假设。那里的基本假设是，每个粒子实际上是一根小弦，在不同的激发下，[这些弦的] 回路对应于不同的粒子。

该图显示了粒子如何成为基波弦的不同振动。（图片来源：Tetiana Zhabska via Alamy）

BT：为什么有这么多不同的弦理论？

MT： 这是因为有不同的方式来看待相同的物理现象。在过去的 20 到 30 年里，你经常会听到 [在该领域] 二元性这个词。这个词反映了对同一物理现象有不同描述的事实。

我们曾经认为引力和粒子物理学在概念上确实不同。现在我们看到，实际上，你可能有同样类型的现象，根据问题的规模和你正在查看的时间步长，它们可以互换。

BT：在发表他的广义相对论后不久，爱因斯坦为他的理论提出了三个经典的测试，科学家们进行了这些测试。为什么弦理论没有产生类似的测试？

MT： 所以我认为这又回到了 [我们在哪里可以找到] 引力和粒子物理学的统一理论的问题。我们需要关注的两个关键领域是，首先，非常早期的宇宙——10 到 [的幂] 负 30 秒——其次是黑洞的表面和内部。

宇宙的大部分都由现有的理论很好地描述，因此现在获得实验证据要困难得多。但我也认为重要的是要记住，几乎在他写下来之后，人们就意识到爱因斯坦的理论预测了引力波。但由于它们引起的影响很小，很难被发现，因此直到 100 年后才被发现。

BT：一些弦理论家评论说，要证明弦的存在，我们需要建造一个星系或更大大小的粒子加速器。我们真的那么远吗？或者我们可以更聪明地观察我们的地方？

MT： 是的，我认为这与我们在测试中有多聪明有关，因为显然没有人会建造这么大的粒子加速器。

28 年前，当我还是一名学生时，人们不会相信我们能达到 [我们拥有的] 黑洞表面成像的精度水平。因此，我们不应该寻求通过粒子对撞器来执行此操作，而应该关注宇宙本身，因为它已经在为我们进行这些 [粒子] 碰撞。

在未来几十年内，我们将获得越来越多的关于黑洞相互碰撞的信息。这是一个非常戏剧性的现象。LIGO [激光干涉引力波天文台]探测器（并因此获得诺贝尔奖）观察到的两个黑洞之间的碰撞释放了三倍于太阳总能量的能量——不是一分钟或一天内穿过我们的能量，而是全部能量。

随着我们开始获得越来越多的这些合并数据，并对它们进行更详细的成像，这就是我们寻找有趣的新物理学的方式。

显示时空波被两个合并的重天体（如中子星或黑洞）涟漪荡漾的插图。（图片来源：NASA）

BT：而且，随着 LISA [激光干涉仪空间天线] 的推出，引力波探测器将变得更加灵敏。这会帮助我们更好地研究合并吗？

MT： LISA 对早期宇宙中产生的引力波要敏感得多。使用 LIGO，您不会看到它们，因为它们的波长错误。所以它会很有趣。

LISA 还将看到有关星系中心超重黑洞的更多细节。这些与星系最初形成的种子有关。所以，它将为我们提供更多信息。

BT：除了黑洞，你提到早期宇宙中也可能有迹象。我们能在那里寻找什么？

MT： 嗯，人们希望在宇宙微波背景中，它已经被成像得非常精确，可能会有一些用于弦理论效应的冒烟枪信号。

情况似乎并非如此。根据弦理论，可能存在来自存在于某些组中的粒子的特征。他们计算了这些结果，发现影响可能太小，在微波背景中看不到。

但还有其他方法可以观察宇宙学——微波背景只是一个快照，一个时刻。人们对测量其他事物感兴趣。有 21 厘米的宇宙学 [21 厘米的红移原子氢线]，你可以在一系列时间内测量。它不仅仅是一张快照，它就像一部电影。这可能包含更多信息，让我们确定下一代实验。

艺术家对 LISA 探测器的印象，以及它将搜索的引力波。（图片来源：EADS ASTRUM）

BT：您的研究的一部分是研究黑洞的行为与量子计算机相似。对于外行人来说，这似乎是一个巨大的概念飞跃。两者是如何联系的？

MT： 当然，其运作方式的细节仍在研究中。但是黑洞的行为就像一台非常高效的量子计算机。如果你把东西扔进去，那个物体就会存储在黑洞里，就像它在量子计算机的硬盘上一样。黑洞的蒸发类似于进行量子计算过程。

人们应该把黑洞的表面想象成量子计算机的智能磁盘。人们发现这很难概念化，因为我们太习惯于将计算机硬盘视为平面对象，我们不想将它们视为大球形对象。但实际上，只是认为您正在该平台上存储信息。而且，当我把一些东西扔进黑洞时，它实际上会印在硬盘上。这就像做一个手术。

BT：所以，如果有人掉进黑洞里，他们会被拉伸直到被撕裂，然后他们就会被那些量子比特锉掉吗？

MT： 是的，没错。

BT：这是一种独特的方式。我们之前谈到过引力波探测器，但要多久才能在这一切的实验方面取得一些根本性的进展呢？

MT： 我认为这取决于你是想要一个关于整个理论的硝烟枪，还是想要探索它的各个方面。

当然，人们所做的实验会发现一些你没有想过的事情，[例如] 黑洞的行为方式就像量子计算机一样。在全息术中，黑洞是由没有引力的理论描述的。您实际上可以在实验室中模拟这些。

在更大的问题上，假设我们想知道弦理论的额外维度的形状，我们可以做实验的时间尺度显然更长。但我认为理论家有责任在这方面变得聪明。

我还将其与我们现有的大理论联系起来，例如宇宙学常数或暗能量。如果你最终可以说弦理论预测了类似暗能量的东西，那么我们可以通过它来预测弦理论吗？因为我们对暗能量没有其他解释。

我非常小心，我认为人们不应该过度承诺。但我认为，仅仅因为你不能用实验来测量它，并不意味着人们不能研究它。

BT：假设我们明天醒来，有冒烟的证据表明弦理论是错误的。你觉得还有其他其他的理论很有说服力吗？还是它真的是占主导地位的？

MT： 弦理论是基础物理学思想的集合。我认为不太可能有一把冒烟的枪说一切都是错的。它会说它的某些方面是错误的，然后你专注于剩下的部分。

我认为在所有不同的方向上探索想法真的很重要。但至于量子引力的替代理论，没有真正的竞争对手。

来源：飞哥聊科学i