?弦理論的核心思想是，宇宙最基本的組成單元不是0維的點(diǎn)粒子，而是一維的弦。
弦論是物理學(xué)中未經(jīng)證實(shí)的理論中最精妙、最具爭議者之一。弦論的核心是貫穿物理學(xué)幾個(gè)世紀(jì)的思想的主線，即在最基本層次上，各種力、粒子、相互作用和物理現(xiàn)象，都可由同一個(gè)理論描述，四種基本作用力——強(qiáng)力、電磁力、弱力和引力的——不再有區(qū)分，統(tǒng)一于一個(gè)理論。
從許多方面來看，弦論是引力量子理論的最佳候選理論，引力量子理論要恰好在最高能量尺度上將引力和量子物理統(tǒng)一起來。這一點(diǎn)，現(xiàn)在還沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但在理論推理上有令人信服的理由。2015年，在世的著名的弦理論學(xué)家愛德華·威滕（Edward Witten）就寫了一篇文章，講關(guān)于弦論每個(gè)物理學(xué)家都應(yīng)該了解些什么。本文就是向非專業(yè)人士轉(zhuǎn)述其意。
標(biāo)準(zhǔn)量子場論描述的點(diǎn)粒子相互作用（左）與弦論描述的閉弦之間的相互作用（右）之間的差異
自然法則一非凡特點(diǎn)是，許多看似不相關(guān)的現(xiàn)象之間有諸多相似之處。它們背后的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)通常是類似的，有時(shí)甚至是完全一樣的，比如，兩個(gè)有質(zhì)量物體之間的萬有引力與兩帶電粒子之間的靜電作用力在數(shù)學(xué)形式上幾乎完全一樣，鐘擺擺動(dòng)與連在彈簧上的物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以及與行星圍繞恒星運(yùn)行的方式，完全類似，引力波、水波和光波都具有非常相似的特征，盡管它們的物理根源完全不同。同樣，盡管大多數(shù)人都沒有意識(shí)到，單個(gè)粒子的量子理論和引力量子理論也有類似之處。
電子-電子散射費(fèi)曼圖，得到此圖需要對粒子-粒子相互作用的所有可能的歷史進(jìn)行求和
量子場論的工作原理是，你取一個(gè)粒子，然后對其歷史進(jìn)行數(shù)學(xué)求和。你不能僅僅計(jì)算粒子過去在哪里，現(xiàn)在在哪里，如何從以前時(shí)刻所在位置到達(dá)現(xiàn)在的位置，因?yàn)樽匀辉诨緦哟紊嫌蟹N固有屬性——量子不確定性。正確處理方法是，你把所有可能的到達(dá)它現(xiàn)在狀態(tài)的路徑(“過去的歷史”部分)賦予正確的概率權(quán)重，再加起來求平均，然后你可以計(jì)算單個(gè)粒子的量子態(tài)。
如果你想研究的是引力而不是量子粒子，故事有所不同。因?yàn)閻垡蛩固沟膹V義相對論的處理對象不是粒子，而是時(shí)空的曲率，所以你不能對粒子所有可能的歷史進(jìn)行平均，而是對所有可能的時(shí)空幾何進(jìn)行平均。
引力由愛因斯坦廣義相對論描述，其他三種基本作用力(強(qiáng)、弱、電磁相互作用)在根本上都由量子物理學(xué)所描述。相對論和量子論是兩個(gè)獨(dú)立的規(guī)則，共同掌管著宇宙中一切。
三維空間幾何問題是非常困難的。當(dāng)一個(gè)物理問題具有挑戰(zhàn)性時(shí)，我們通常會(huì)先嘗試解決一個(gè)簡單的版本。如果處理一維幾何，問題會(huì)變得非常簡單。一維曲面只有一種可能，弦。弦有開弦或閉弦之分，開弦具有兩個(gè)獨(dú)立的、不相連的端點(diǎn)，而閉弦的兩個(gè)端點(diǎn)連接在一起形成一個(gè)圈。三維空間中曲面的曲率復(fù)雜無比，而弦的空間曲率計(jì)算小菜一碟。如果我們想用弦描述物質(zhì)，要處理的就是一組標(biāo)量場(類似描述某些類型的粒子的廣義坐標(biāo)標(biāo)量場)和宇宙常數(shù)(類似質(zhì)量)，一個(gè)漂亮的類比呈現(xiàn)出來了。
粒子在多維空間中獲得的額外自由度不會(huì)帶來多大麻煩。只要你能定義出動(dòng)量矢量，這正是我們最關(guān)心的維度。因此，在一維情形下，量子引力看起來就具有任意多維度的自由量子粒子。
1維量子引力路徑積分關(guān)鍵之一為含3價(jià)頂點(diǎn)的圖
下一步將相互作用加進(jìn)去，將沒有散射振幅或散射截面的自由粒子與宇宙耦合，產(chǎn)生物理效應(yīng)。用圖，就像上面的圖一樣，可描述量子引力中作用量的物理概念。如果我們把這些圖的所有可能的組合都寫下來，并加起來——還要遵循動(dòng)量守恒定律等規(guī)律——我們就可以完成這個(gè)類比：一維量子引力類似參與相互作用的任意多自由度的單個(gè)粒子。
在任何特定位置發(fā)現(xiàn)量子粒子的概率都不會(huì)是100%;概率分布同時(shí)是空間和時(shí)間的函數(shù)。
下一步將是從一個(gè)空間維度擴(kuò)展到3+1維度:三個(gè)空間維度加一個(gè)時(shí)間維度。但對于引力理論，這一“升級”可能非常具有挑戰(zhàn)性。反其道而行之，可能會(huì)有更好的方法。
不去計(jì)算單個(gè)粒子(零維實(shí)體)在任意多維度上的行為，不妨計(jì)算一根弦(一維實(shí)體)——不管開弦還是閉弦——的行為。然后，我們可以尋找類比，得到更完整的更接近現(xiàn)實(shí)維度下量子引力理論。
基于點(diǎn)粒子及其相互作用的費(fèi)曼圖(上圖)，通過類比，將之轉(zhuǎn)換成弦論的費(fèi)曼圖(下圖)，線條具有非平庸曲率的面。
不從點(diǎn)和相互作用開始，而是直接從表面、膜之類的對象開始。真實(shí)的多維的表面可以以非平庸的方式彎曲，呈現(xiàn)出很有趣的行為，這些行為可能是廣義相對論所描述的宇宙時(shí)空曲率的起源。
雖然1維量子引力為我們提供了可能彎曲時(shí)空中的粒子的量子場論，但它并沒有描述引力本身。缺失了什么微妙的東西？算符（代表量子力學(xué)力和性質(zhì)的函數(shù)）與量子態(tài)（粒子及其性質(zhì)隨時(shí)間演變的方式）之間沒有對應(yīng)關(guān)系。這種“算符-量子態(tài)”對應(yīng)是必要的，但卻缺失了。
如果我們拋棄點(diǎn)狀粒子，而采用弦狀實(shí)體，算符-量子態(tài)對應(yīng)關(guān)系就會(huì)呈現(xiàn)出來。
時(shí)空度規(guī)變形可用算符漲落（圖上標(biāo)記為“p”）表示。類比于弦論，此描述時(shí)空漲落，對應(yīng)于弦的量子態(tài)。
從粒子“升級”到弦，算符-量子態(tài)對應(yīng)關(guān)系立馬就有了。時(shí)空度規(guī)的漲落（即一個(gè)算符）自動(dòng)表示描述弦性質(zhì)的量子態(tài)。因此，我們可以從弦理論時(shí)空中得到引力的量子理論。
所得不止如此，量子引力還與時(shí)空中其他粒子和力相統(tǒng)一，這些粒子和力相應(yīng)于弦的場論中其他算符。還有算符描述漲落的時(shí)空幾何和弦的其他量子態(tài)。弦論的最大的新聞是，它能給出一個(gè)管用的引力量子理論。
布萊恩·葛林在做關(guān)于弦論的報(bào)告
然而，這并不意味著這是一個(gè)自動(dòng)成立的結(jié)論，但是，弦理論通往量子引力。弦理論的最大希望在于，這些類比將在所有尺度上都成立，并且弦圖像與我們觀測的宇宙之間有清楚的一一對應(yīng)關(guān)系。將會(huì)有一個(gè)明確的、一對一的關(guān)于弦圖的映射到我們周圍觀察到的宇宙。
現(xiàn)在，弦/超弦圖像只在幾種維度中自洽，而最有希望的一組并沒有給出愛因斯坦所描述的四維引力，給出的是10維的布蘭斯-迪克引力理論。要得到我們宇宙的引力，必須“去除”6個(gè)多余的維度，并將布蘭斯-迪克耦合參數(shù)，ω
，取為無窮大。
如何降維？手段就是弦論中所說的“緊化”?，F(xiàn)在，許多人認(rèn)為有一個(gè)完整的、令人信服的解決方案來滿足緊化的需要。但是，如何從10維的布蘭斯-迪克理論中得到愛因斯坦的引力和3+1維數(shù)仍然是弦論的一個(gè)待解決的挑戰(zhàn)。
卡拉比-丘流形的二維投影，這是緊化弦論中多余的不想要的維度的一個(gè)常見方法。
弦論提供了一條通向量子引力的路徑，幾乎沒有其他的選項(xiàng)比得上弦論。如果我們做出明智的選擇，找到“管用的數(shù)學(xué)”，我們就能從弦論中得到當(dāng)前物理的兩大高峰——廣義相對論和標(biāo)準(zhǔn)模型，且弦論是到目前為止實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的不二之選，因此，弦論成為熱門的研究對象。無論你是熱衷宣揚(yáng)弦論的成功還是失敗，還是你對它缺乏可驗(yàn)證的預(yù)言有所想法，弦論無疑仍是理論物理研究中最活躍的領(lǐng)域之一。弦論核心思想是許多夢想完成終極理論的物理學(xué)家的最主要的思想源。
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