弦理论和超弦理论（从标准模型到弦理论再到超弦理论）

我们的宇宙充满着物质，这些物质是由许多不同类型的粒子组成，例如电子、夸克、中微子等。它们之间可以通过交换粒子来实现相互作用，例如电磁力是由光子交换所介导的。所有这些不同类型的粒子组成粒子物理的标准模型，它是目前我们对量子世界最精确的数学描述。

标准模型包含两大类粒子：主要构成物质的费米子和主要描述相互作用的费米子。乍一看，标准模型好像是描述宇宙的终极力量。但实际上，它却无法把引力包含在内。在很大程度上，我们都用广义相对论对引力进行描述。物质的存在会弯曲时空，而物质在弯曲时空的运动表现得像引力的吸引。物理学家希望在微观上存在引力子，但是当我们把引力子放在标准模型中的时候，计算给出了无穷大的荒谬结果。

我们无法在量子尺度上处理引力，半个多世纪以来，物理学家一直在寻找新理论来解决这个问题，而弦理论以其优美的形式脱颖而出。在标准模型中，粒子都是一些小的无量纲点。而在弦理论中，这些粒子都是由一个小弦组成。

这些有张力的小弦就像一根橡皮筋一样可以振动，并且可以以不同的方式振动。从我们的角度来看，不同的振动模式表现出来的就是不同类型的粒子。例如，通过计算我们可以发现有一些弦的行为像光子。自然而然，我们就想用弦理论预测引力的存在，从而在量子尺度上对其进行描述。

幸运的是，弦理论不仅可以预测引力的存在，还可以让我们计算它与其他粒子的相互作用。到目前为止，弦理论看起来非常有希望。但是，在这个阶段，该理论还存在着三个主要的问题。

第一个问题，所有的弦全都表现得像玻色子，但我们的真实世界还有另一类粒子：费米子，弦理论并没有预测这些粒子。第二个问题，弦理论还预测了一种速子，它的质量是虚数。第三个问题，我们的时空是四维的，但弦理论需要26个维度。因此，在这个阶段，弦理论好像还远远不同描述我们真实的宇宙。

为了进一步推动弦理论的发展，我们往这些小弦中加入了旋量，从而将费米子纳入了模型中，而且理论上也不会再预测速子这个有问题的粒子。简单地在弦上添加旋量，我们就解决了前两个问题，这个更完整的理论实际上被称为超弦理论。

超弦理论实际上展示了费米子和玻色子之间的基本对称性。在某种程度上，它预测了玻色子的数量和费米子的数量一样，这被称为超对称。在包含超对称前，弦理论在数学上需要26维，而现在超弦理论只需要10个维度。很不幸的是，该理论依然不适合我们的四维宇宙，第三个问题仍然没有得到解决。

这6个缺失的维度会在哪里？一个最为广泛流传的理论是，这些维度蜷缩在一个微小的尺度。这些额外维度的存在也允许更多样化的振动模式范围。此外，有许多不同的方式来卷曲六个维度，每种可能性都会预测一个不同的宇宙。

实际上有五种不同版本的超弦理论描述了不同类型的宇宙。我们可以从数学上证明，这五种理论实际上是一个更完整的模型的近似值，该模型就是具有11 维宇宙的M理论。