弦论可能成为终极理论吗（弦论女孩走红背后）

在网上做科普四个多月，29岁的理论物理博士后周思益吸引了数十万粉丝关注她的组织下，各种学历的人在群里一块热烈地讨论宇宙起源、黑洞、引力波。她喜欢给孩子，特别是很可爱的小女孩讲物理。或许有人觉得这是一种 “降维打击”，但对一个曾经的天才少女来说，接受自己的平凡后，她珍视科普这件事，也珍视其他孩子展现出的天赋。

文丨周航

编辑 | 王姗

本文转载自微信公众号“极昼工作室”（ID：media-fox），原文首发于2021年11月18日，原标题为《弦论女孩的秘密花园》，不代表瞭望智库观点。

1 女孩与“谢耳朵”

周思益只有一点和别的女主播相同：开美颜。只需轻轻一按，屏幕里跳出一个眼睛更大、皮肤更亮的女孩，从不化妆的她此刻也会欣赏更漂亮的自己。

女孩脸颊鼓鼓的，说话慢条斯理，语气没有起伏，像还没学声调的学生，制作的科普视频总以同一句话开场：“昨天有小朋友问了我一个问题......”

不叫老铁、家人，她叫粉丝小朋友，并且自称幼儿园老师。可讲的内容，大部分人恐怕都听不懂，有的看标题就令人绝望，“如何理解p-v相变”“黑洞信息佯谬”，频繁出现的是彭罗斯图、度规等专业词汇。

因为经常拿手边的卫生纸做道具，她也自称“卫生纸主播”，比如讲圆柱的曲率，她拿出一卷用完的卫生纸筒，剪开，摊平，“所以你现在知道圆柱的曲率是多少了嘛？”讲AdS黑洞，又将一个卫生纸筒放进杯子，“卫生纸筒就代表了黑洞视界。”

比喻到这份上，很多人还是不理解，评论区经常有人调侃，“如果这是幼儿园，我应该是个婴儿。”

周思益觉得奇怪，自己讲得“比教科书简单一百倍”，怎么还听不懂呢。也许只能怪理论物理过于深奥，对于这个抽象世界，爱因斯坦的狭义相对论只是入门。

有趣的是，如此专业的科普，四个多月在快手也吸引了十五万粉丝关注。周思益发过自己的英文笔记，估计全平台不超过50个人能看懂，但点赞超过5000个，评论很多都是“何德何能刷到这个”。

粉丝大多是普通人。比如来自东北的杜先生，他是个普通文员，喜欢研究丹道，之前对物理毫无兴趣，刷到周思益却意外有些着迷，人到中年，他说多些生活里吹牛的谈资也不错。还有家庭主妇说，爱听她讲知识，“虽然有时听不懂，但很有兴趣。”

群里也藏龙卧虎，一个网名叫费曼的活跃粉丝，据传来自布鲁克海文国家实验室，这里诞生过7项诺奖。找到第六种夸克的费米实验室，也有人在群里传她的视频。

十多个粉丝群好多满员了，各种学历的人，中学生、本科生、博士生乃至大学教授，在里面一块讨论理论物理。周思益开玩笑，按照概率，粉丝里以后怎么也得出个诺奖。

这么多人喜欢自己，周思益觉得，大概因为自己很可爱，或者用网友的话说，“比较呆萌”。更准确说，一种反差萌，在深邃抽象的知识与物理圈少见的女孩之间。

有时候，粉丝讨论的不是物理，而是些奇怪的东西。比如她那头天生的卷发，就有粉丝发言，让打理打理，这时另一拨人刷屏说，这发型像爱因斯坦，多好啊。看着粉丝“掐架“，周思益笑得露出小门牙，继续习惯性地用手指给耳旁的鬈发打卷。

周思益主攻的是弦论，这算得上现代物理最前沿的领域，美剧《生活大爆炸》中，智商187的主角谢耳朵就研究这个。剧里谢耳朵的人设是书呆子，周思益某种程度上也是，29岁了，她从不捯饬自己，不会化妆，小学衣服穿到博士毕业，有些破得不行，还是妈妈没法忍扔了。

谢耳朵有理科生特有的浪漫，周思益也有，她评价弘一法师，弹奏的不是超弦，而是宏观世界的开弦（弦论里弦的分类），诗人李贺奇异的文学想象则仿佛生活在十维空间。

总之，在普通人眼里，她就是不折不扣的物理天才。这样的天才女孩带着一种特别的幽默感来做科普，用周思益自己话说，“可能属于降维打击。”

周思益在神户大学近照。讲述者供图

2 天才和“学渣”

她确实不是一般聪明，而是非常聪明。中学开始，她的物理作业就被当作标准答案。那些原理和公式，看一遍就理解，仿佛本来就在她大脑里。从没遇到过不会的题，翻下参考书，发现还没自己的解题步骤简洁。

很多科学天才都有直感，周思益也有，一个长方体掉入水中，排开水的重量等于所受浮力，这需要用公式演算推导，但在她脑海中，靠想象就知道该是这结果。

这样的女孩或许在其他地方会受到更多关注，但那毕竟是华中师大第一附中，某些榜单排名全国首位的高中，班主任和物理老师叫柳超美，他有一个全国知名的儿子，在国际数学奥赛满分拿下金牌，后来去了龙泉寺出家的柳智宇。

初中，周思益和爸爸一块做浮力实验。讲述者供图

直到填报高考志愿，女孩学物理这件事第一次看起来不那么妥当。爸妈强烈希望读医，女孩子嘛，做医生很不错，他们在武汉普通高校做老师，身边男同事都找医生，收入是自己的几倍。“什么难听的话都说了”，她依旧想去中科大学理论物理，连着几天躺在床上哭，不肯填志愿。最终是父母妥协了。

她一直相信，自己或许就是下一个爱因斯坦。但在中科大近代物理系，周思益意识到自己和真正的物理天才之间的差距。爱因斯坦的质能方程：E=mc²，如此简洁，如此深邃，她知道自己一辈子想不到。

同学也是更出色的存在。一个同班同学，毕业后拜入马尔达西那门下。周思益频繁提到这个阿根廷物理学家的名字，她最喜欢的当代理论物理学家，单篇论文引用在高能物理界排第一。

博士二年级，周思益攻读一篇马尔达西那关于宇宙对撞机的论文，啃了一年没啃明白。她买了张机票，来到普林斯顿大学，敲开了马尔达西那的办公室。偶像比想象中个矮，也和蔼许多，他声音很小，周思益听得心怦怦跳，聊了两个小时，她说，抵得上自己一年思考。

女孩坦然接受自己相对平凡的事实。但长久的热爱一直引她继续探索世界的物理本质。博士毕业，周思益去了斯德哥尔摩大学。在这座纬度比漠河还高的瑞典城市，因为疫情，周思益总一个人在宿舍度过。做理论物理，有纸、笔，一台能计算的电脑就够了。

她发明了一套独特的学习方法：和不同人合作多个项目，需要在不同领域来回切换，她的大脑钻出来多个小女孩。最常出现的是“弦论小女孩”，穿件绿色小马甲，留一头齐地长发，有时候，出现的又是“小火人”，字如其名，长得如同一团焰火，她们分别帮她理解和记忆弦论、热力学、引力波等不同知识。

在知乎，她写下了这些小女孩的故事，每个都四五岁，贪吃、爱玩，教一个叫思思的学生学习不同的物理知识。写多了，每个小女孩都像成了她生命的一部分，不由自主地出现，和她对话、辩论。周思益一度觉得自己人格分裂了，甚至考虑去看心理医生。

一年前，小说停更。她写下的东西受到了攻击，很多人说“四不像”，不是科普，不是小说，她说，这些声音吓得小女孩们都躲了起来。她也确实写不下去了。问题越发艰涩，和现实愈来愈远，找不到故事化表达的方式。

周思益觉得沮丧、虚无，她开始越发强烈感觉到，自己做的研究微不足道。如果说伟大的学者在设计一栋大楼，她只是在底下砌砖。至于探索最艰涩的难题，她在斯德哥尔摩大学的“老板”就是，她亲眼目睹了如何日复一日缺乏进展，根本没自信去做这样的工作。

同样在消失的还有身边的朋友们，很多去做了码农，也有厉害的进入金融业，用量化分析做投资。

相比之下，理论物理是座窄得多的独木桥。它不直接产生经济效益，注定依赖高校这样的学术机构生存。然而岗位稀缺，如果一个教授退休前培养30个学生，那意味着，30个人里只有一个能接过这份教职。

周思益不知道自己未来在哪。“像我这样的人真的太多了，可能你没见过多少，但是我是这个圈子的，真的，跟我一样的人多如牛毛。”她默默抬起头，目光游离了好一会儿，“（那些研究）我不做，也会有另一个周思益做。”

周思益在中科大校园，她胸口挂的饭卡贴着爱因斯坦头像。讲述者供图

3 未来的诺贝尔奖

《生活大爆炸》演到第七季，因为无法被实验证实，心灰意冷的谢耳朵放弃了弦论，事实上，周思益也差点如此。最终把她从虚无感中拉出来的，正是现在所做的科普。

最开始的原因，只是听学长说，做科普能赚钱，积累人脉，那时她正为工作焦虑。刚开始，她很害羞，不好意思传给熟人。她在港科大的导师王一还是通过别的途径看到，主动在朋友圈转发。

周思益是王一到港科大工作后收的第一个博士生。王一之前在剑桥工作，办公室挨着霍金，宇宙对撞机的概念就来源于他跟别人合作的准单场暴涨工作。王一觉得，理论物理研究依赖国家资助，做科普是回报社会最直接的方式。他也加入了周思益的粉丝群。

周思益（中）在香港科技大学课题组。讲述者供图

现在，周思益每天六点多就迫不及待起床，开始在各个群发言。

发言最多的，是一个叫“未来的诺贝尔奖”的小群。这个群由三个“小朋友”组建，真正意义上的小朋友，最大的17岁，上高一，最小的12岁，也上高一。

因为他们在粉丝群的专业发言，周思益最早发现了他们。她最喜欢12岁的女孩，逢人就夸她的天赋，“12岁能理解AdS黑洞的，我还是头一回见。”

在个人首页，周思益自我介绍，“喜欢给孩子讲有趣的物理知识，特别是给很可爱的小女孩讲物理”。她受过一些大人偏见，说物理属于男性，因此希望鼓励更多女孩走入这个领域。

12岁的女孩来自兰州，微信头像是科比，最早玩快手也是刷篮球视频，意外发现了周思益的存在，成了一个小小的追随者。对她来说，周思益的视频专业、有趣，能学到她好奇的知识。

和周思益很像，她的兴趣与生俱来，“物理像黑洞一样吸引了我”。为了学物理，她的微积分已经自学到泰勒展开（大学高数内容）。不过，在大学教心理的妈妈不太支持她自学，她说，妈妈希望她有快乐童年，“怕走‘小天才’路线对我造成压力和影响”。

性别倒没有困扰过她，她喜欢打球，平常更多和男生在一块玩，她形容自己是“男生女生的量子叠加态。”她还写了篇论文，建模型，做演算，分析什么情况更适合投打板球。

群里还有两个男孩，头像都是爱因斯坦，他们就没那么好运了，现实生活里，他们都没什么朋友，小小的群成了归宿。每天放学，他们第一件事都是打开几个群，看看有没有漏掉什么重要消息。

最近，他们俩一个在研究“慢滚暴涨模型”，另一个则在研究“相对论重离子对撞机”，彼此还暗自较着劲，比微积分学习进度。

“我真挺感谢周（思益）老师建立这个群的。”17岁的沈阳“爱因斯坦”说。他说，自己得过抑郁症，花了7年才走出来，因此还在读高一。他的童年痛苦不堪，因为轻微读写障碍，成绩“全沈阳到底了”，被老师孤立，挨同学打。小时候，他最开心的是去农村姥姥家看星星，一看就一两个小时。浩渺的宇宙面前，烦恼都不见了，他的脑海只留下一些遥远的问题，“宇宙之外存在更宏伟的宇宙吗”“有没有地外文明”。

另一个“爱因斯坦”之前也很孤独，13岁的他正在潍坊上初二，物理总考年级第一，但课堂上，他已经不敢说话了，曾经他提出过一些质疑，结果被老师叫到办公室一通批评。

担心影响成绩，小“爱因斯坦”的妈妈不太支持他钻研物理过深。最近期中临近，小“爱因斯坦”搬出了王一、周思益，讲他们的履历，说自己正跟着这些人学习呢，才得到继续用手机的允许。他还特别嘱咐，写了文章要配上他照片，“让我爸妈知道我不会让他们失望。”

周思益的中学生粉丝和他的物理书籍，最近他收到的是王一所著《一说万物》。讲述者供图

在进入现在的小团体前，他们学物理靠看科普书、公开课，通过搜索引擎找资料。周思益在他们眼中更像一个姐姐，带他们进入了真正的科学圈，甚至有了直接跟王一这样的学者请教的机会。

周思益把自己信得过的朋友们都拉进了群，让他们也指导几个孩子，帮忙下论文。她也特别喜欢跟这几个孩子聊天，相比一些大人，孩子们简单、纯粹，不会带给她烦恼。甚至碰到人际关系的困扰，她也会问问孩子们的看法。她现在的头像，一个大眼睛的卡通女孩，就是一个中学生主动帮她画的。

周思益感谢几个孩子的存在，证明她说的没错，有小朋友理解且喜欢她的科普。打心底里，她也相信，这些“别人家的孩子”，能听懂她讲解的天才，以后才可能研究理论物理研究——这就是她做科普的目的。

4 “我有所爱的物理了”

学生时代，周思益也一直是“别人家的孩子”。在其他大人口中，她是乖巧、懂事的“学霸”。每天放学回家，她会背着书包先给金鱼喂食，给植物浇水，然后回到自己的小房间安静地学习。

但当别人一直夸赞女儿出色、讨教经验时，她的妈妈江河度过的却是灰暗的看不到未来的人生。

“可能你们不知道，”电话那头，江河刚开口就哽咽了，几乎逐词吐露接下去令人震惊的话，“她是一个，几乎可以说是，残疾的孩子。”

出生后，周思益一直没能学会走路，快到2岁，才勉强能扶着墙站起来，夫妻俩去了很多省份，找了很多专家，诊断都是“进行性肌营养不良”，一种令人绝望的疾病，被判定活不过12岁。9岁那年，在上海华山医院，一个检验科的老医生给出更明确的诊断，中央轴空病。

和霍金所患疾病有些类似，中央轴空表现为肌肉无力，没霍金那么严重，但也没法治愈。家族里无人有类似疾病，应该来自小概率的基因突变。

绝望的父母经常将孩子送到爷爷那里生活，爷孙俩经常挽着手散步，一边走，爷爷就一边讲生活中的物理。爷爷退休前是高中特级物理老师，家里有一大堆物理道具，一根蜡烛、一张纸，给三四岁的周思益演示了小孔成像，他还给她做飞机玩，为她的金鱼做自动喂食器。在江河理解里，这就是女儿的物理启蒙。

周思益初中时去武大看樱花 讲述者供图

直到今天，周思益仍然不能像常人一样剧烈运动，蹲下后需要借力才能站起来。读本科时，她摔了一跤，第二天还是逞能，和同学骑了两小时自行车去采草莓，回来后，脚踝肿得像乒乓球，根本走不了路。

看起来，周思益从没被这件事困扰过。比如采草莓那次，接下去三个月，是一个女同学每天用自行车接送她去上课。“没有人因为这个不喜欢我，反而很照顾我。”她说。她无意隐藏，但也几乎不主动提起疾病影响。偶尔她也会失落，比如有喜欢的男孩而没能在一起，但哭几次就好了，甚至妈妈都为此难过更久。做科普后，这样的失落也没有了。

最近，周思益才告诉妈妈，自己在做科普，还有不少人关注，认识了好几所名校的教授，都邀请她去应聘。江河第一次下载了短视频软件，看女儿的视频，也看下面的互动。有条评论吸引了她，那个网友说，“你都29岁了，还不找对象吗”。

在江河眼里，女儿说话、做事，一直像个孩子般纯粹。为了向白血病儿童表爱心，大学里周思益剃过光头。博士时，周思益开始吃素，江河以为怎么了，结果她发来一篇科普文，讲牛打嗝、放屁，排出的气体加剧了温室效应。

江河理解网友也是出于善意。有段时间，她也被这个问题困扰，因为那个罕见疾病，这个问题显得格外沉重。但现在，江河早不去想这些事了，而是感恩女儿已经拥有的一切。

戳中她的是底下周思益的回复：“我有所爱的物理了，我也有你们的爱”。江河现在觉得，如果女儿能一辈子做她喜欢的事情，有爱她的人，那也是很值得的人生了。

（江河为化名）

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延伸阅读：

宇宙终极大统一理论？弦理论

量子力学和相对论是20世纪物理学的两大突破，但是两者之间却存在矛盾，始终无法很好的结合起来。在这样的背景下，有物理学家提出了弦理论，认为它是能够统一这两大学说的“万有理论”。你听说过弦理论吗？它真的能解答宇宙的终极问题吗？为什么要用弦来代替粒子作为万物基元，而不是其他东西？弦理论所提出的高维空间真的存在吗？它可以被证实吗？关于弦理论，你不知道、想知道的，都在这里！

嘉宾丨夏笳 西安交通大学副教授、科幻作家 周哲 科普博主妈咪说、西瓜视频创作者 黄庆国 中国科学院理论物理所研究员

本文转载自微信公众号“格致论道讲坛”（ID：SELFtalks），原文首发于2021年1月2日，原标题为《宇宙终极大统一理论？弦理论 | 理性派对 第二季》，不代表瞭望智库观点。

1 神秘的弦理论，究竟是什么？

夏笳：今天我们要聊一个非常高能的题目：弦理论。喜欢科幻的朋友可能会看一些科幻小说，比如刘慈欣的《三体》，里面有非常玄妙的、前沿的理论物理，这些东西对于很多人来说非常烧脑。

今年，理论物理的最高奖叫“狄拉克奖”，三位获奖者都是做弦理论相关研究的。很多媒体报道了这件事情，但是很多人不知道什么是弦理论。两位老师能不能先简单讲一下什么是弦理论？它是怎么来的？它是为了解决一些什么问题？

周哲：简单来说，弦理论相当于我们认识世界的一种方式。这个世界是由什么构成的？最小的单元是原子，更小的是电子、夸克，但是，夸克往下还有没有更加基础的结构？

弦理论认为，世界最基础的结构是由“弦”构成的，“弦”就类似于橡皮筋，这就是世界最基本的单元。

夏笳：就是把“弦”作为世界最基本结构的一个基础单元，在此基础上解释很多物理现象、物理原理。

黄庆国：构成世界的最基本的单元是原子，它的中间有一个原子核，电子围绕着原子核转，原子核里面有质子和中子，而质子和中子又是由更基本的粒子，也就是夸克组成的。我们把电子、夸克都看作是点粒子，是没有结构的。

在数学上，它们就是一个点。但是会有一个问题，为什么同样是点的一个粒子，它有时表现为电子，有时表现为夸克？为什么这个点有这么丰富的物理信息？

我们描述自然界的相互作用时，最简单的电磁相互作用力就是库仑力，它的大小与距离的平方成反比。想象一下，如果一个电子是一个点，它自身也会产生电场，它又受电场的影响，因为它的大小是零，它的距离就是零，力的大小又与距离的平方成反比，那就会出现无穷大。当出现无穷大时，研究科学或研究物理的人就手足无措了，因为我们没有办法通过任何实验去看一个无穷大的东西。

为了解决这些问题，人们在上世纪70年代萌发了一种想法：构成世界的最基本的单元，它不是像电子、夸克这样的点粒子，而是一维的、像弦一样的东西。

这些粒子，为什么又表现出电子和夸克？因为这根弦可以振动，不同的振动模式对应不同的粒子，而且弦是有限大的，所以它也避免了无穷大的问题。

这就是为什么弦理论的思想一提出来，就吸引了很多物理学家，特别是理论物理学家感兴趣的原因。就像琴弦一样，它有两种状态，一种状态是两个端点是自由的，不连在一起，我们称为开弦。

电子、夸克这些基本粒子就对应弦的某种振动状态，而我们发现有一件很有趣的事情：只要有开放的弦，就一定有闭合的弦。因为一根开放的弦在演化运动的过程中，一定可以在某个地方结成一个圈。这就告诉我们一个很简单的道理，弦理论由开弦和闭弦构成，并且有开弦一定有闭弦，有闭弦不一定有开弦。一个圆圈再怎么扭，再怎么重新粘贴，它还是一个圈。所以弦理论有两种，一种是只有闭弦的弦理论，一种是既有开弦又有闭弦的弦理论。

2 解答宇宙终极问题？弦理论的诞生

夏笳：弦理论是在解释的过程中发明出来的一个想象的产物，并且产生了关于开弦和闭弦的系统。

弦理论发展的历程是什么样的？最初是谁想出来的？

周哲：物理学家一直希望找到一个统一的理论，能够描述四种基本作用力，但是当时的问题是引力还放在一边，比较困难。需要先把弱力和电磁力统一起来，强力也就是原子核内部的力已经有希望统一了。当时，意大利物理学家韦内齐亚诺在研究强力时，发现了一个公式（欧拉积分中的β函数），用这个函数可以处理强力中4个粒子的散射模型。但是，韦内齐亚诺的公式提出来后，并没有太多人重视，因为那时有一个理论学：量子色动力学，简称QCD。

QCD直接解决了强力的问题，所以在比较长的一段时间内，韦内齐亚诺的公式被人们抛弃了。后来其他物理学家，南部阳一郎等人把公式捡了起来，发现β函数之所以可以描述具有4个粒子的散射模型，是因为在β函数中可以把粒子当做某种空间延伸量，即一根弦。这样，弦理论才有了一个开端。也就是弦的不同振动模式，就对应了不同种类的粒子。

夏笳：这些基本粒子的不同特性，是怎么通过弦不同的振动来表现的呢？

黄庆国：一个粒子的基本性质主要包括质量和内部转动，也就是自旋，通过一些参数或量子数来描述，人们发现振动的弦具有与这些基本粒子一样的性质，所以我们就发现弦是可以用来解释这些基本粒子的。

弦理论起源于韦内齐亚诺猜的一个函数，但是它只能描述基本粒子物理里的强相互作用力，但是自然界中还存在另一种基本的相互作用力，也就是引力相互作用力，而之前很多理论学家试图把引力也纳入到这个理论框架中，爱因斯坦晚年也在这上面花费了很多时间，始终没有取得成功。

上世纪70年代，南部阳一郎和当时还是学生的米谷明民发现了一件非常有趣的事情，闭弦所传递的相互作用力，恰好就是我们想要去解释的引力这一基本相互作用力。但是他很快又发现一个很严重的问题，一根普通的弦在时空中振动，它只能够解释玻色子，但是构成这个世界的最基本的物质实际上是一种叫“费米子”的东西。

“费米子”是什么？比如，我在这里转一个圈，转360度就转回来了，而费米子不是，得转两圈才能转回来。电子、质子、夸克都是费米子，为什么构成这个世界的基本粒子必须是费米子？因为费米子有一个非常特殊的性质，叫做泡利不相容原理。泡利不相容原理是指任何两个相同的费米子，比如两个电子，不能同时占据同样的轨道，如果没有这样的性质，所有的电子都待在离原子核最近地方，就没有元素周期表了。正是由于这个原理，才有了元素周期表，使得有丰富化学性质的物质构成了绚丽多彩的世界。但是，一根弦在时空里运动、振动时不能产生费米子。为了解决这个问题，人们就需要引进超对称。

超对称是什么？我们通常描述普通的时空坐标，就是X轴、Y轴，还有另一个轴，它的坐标可以用一个数字表示，比如这个数字是位置距离原点一厘米或一分米，我们可以拿这个数字来做乘法，1×1等于1，但是为了得到一个费米子，人们发明了另一种奇怪的数字，叫做格拉斯曼数，它自己和自己相乘等于0。泡利不相容原理告诉我们，两个相同的费米子是不能处于同样的状态的，所以引入一个超空间后，原来的弦理论就变成了超弦理论，于是就可以实现费米子。

3 从弦理论到超弦理论

夏笳：用这样一套数学的方式来计算费米子，它的自旋、质量与观测到的电子、夸克是一样的，这样就诞生了超弦理论，超弦就是因为引入了超对称。

黄庆国：是的，它与我们通常接触到的时空结构不一样，我们将它称为超空间。

夏笳：很多时候，我们谈到弦理论就会谈到多维空间，其实它们不是一回事，这个空间是一个数学空间的概念，不是现实的物理空间，它只能用数学的方式去表达，至少目前为止，我们感受不到这个超空间的存在，它是不是真实存在的，我们还不知道。

周哲：刚才黄老师说，构成世界的粒子都是费米子，除此之外，还有与之相伴的玻色子，实际上就是传递四种基本作用力的基本粒子，比如电子和电子之间传达作用力，是通过不停发射光子的方式。

费米子有一个特点：它们满足泡利不相容原理。即两个全同的费米子不能处于相同的能量态，但是玻色子不一样，不管空间多么小，有多少个玻色子都没关系。

比如说引力无穷大，这对于费米子来说就无法做到，但对于玻色子来说，它就可以做到，这就是它们最大的不同。这也是引入以格拉斯曼数为坐标数的超空间的原因，这方面确实有些抽象。

夏笳：在那之后又出现了哪些新的猜想？

黄庆国：有了超弦理论后，人们就开始构造有开弦的弦理论，但是他们发现这个理论是病态的。上世纪70年代，温伯格、格拉肖和萨拉姆提出了一个非常成功的粒子物理的标准模型，使很多人都离开了弦理论的研究，去研究量子场论。

而当时只有一位非常孤独的研究者，美国加州理工大学的施瓦茨，他花了十年时间，终于想到了一个办法，他引入了一个32维空间的转动的对称性，解决了有开弦的超弦理论中的这种异常现象，从而得到了一个有可能描述现实世界的自洽的弦理论，这个发现震撼了整个学术界，从此开启了弦理论的第一次革命。

4 弦理论之王：M理论的提出

夏笳：虽然有很多地方我们可能不是很明白，但是听上去非常激动人心，之前的理论有一个致命的缺陷，最后一个像独孤求败的人，拿出了一个完全超出人类正常想象的奇怪模型。

黄庆国：超弦第一次革命开端后，很多人又重新回到弦理论的研究中。这些非常聪明的人又发明了另外四个弦理论，这四个弦理论也都是自洽的。这时就出现一个问题，描述我们所看到的自然界的正确理论应该是唯一的，但现在弦理论有五个，我们不清楚它们是否都是对的，但是它们看上去都是自洽的。

经过大概十年的研究，另一个非常著名的学者登场了，这个人就是爱德华威腾，在一次会议上，他提出了一个新的理论：M理论。这个理论统一了前面所有的弦理论，但是他并没有解释这个M的意思，大家众说纷纭。

有人猜M可能是Mystery，有人猜是魔术Magic，也有人说是Mother，还有人说是Master。有人说这些都不对。M是什么？把威腾的第一个字母W反过来写就是M，但是威腾从来没有解释这个M到底是什么意思。

夏笳：在M理论之前，所谓的五套弦理论都是根据第一个施瓦茨的理论，引入了32维空间的转动对称性，剩下四套理论是不是也都引入了这样一个多维空间的概念？

黄庆国：超弦理论只能生活在九维空间加一维时间的时空当中，如果不是这样的时空维度，这个理论是不自洽的，会出现一些病态。我们是怎么计算出时空维度的？之前的所有理论，比如爱因斯坦的广义相对论，还有量子场理论，都可以在任何的时空维数上去写，都是可以成立的。唯独弦理论，它限定了时空的维度，必须是十维，只有在十维时空里去计算它对应的光子的状态，光子才是零质量的，才跟我们观测到的光子的质量是一致的。但是在威腾的提出的M理论中，还有一个触角，这个触角并不是十维，而是十一维，也就是超引力理论，这是引入超对称之后的一个引力理论所能生存的最高的空间维度。

大家会问，超弦理论是十维的，你怎么又说到一个十一维的理论呢？在这个十一维的引力理论里，它存在一个非常基本的解，这个解不是一维的弦，而是一个二维的膜，就像一张纸一样。

这样的一个理论，为什么与十维一个弦理论有关系？这有一个很简单的道理，比如我们把一张纸卷起来，卷得很小，它就变成了一根丝，这就是十维的弦。

而二维的膜，它的英文单词是Membrane，所以有人说也许M理论中的M指的是Membrane。

威腾提出的M理论开启了弦理论的第二次革命，而第二次革命后一个很重要的发现，就是也许弦也不是最基本的东西，膜才是更基本的东西。

周哲：一维的弦，二维的膜，三维的方块，这些都有可能成为宇宙中最基本的结构。

5 什么是十一维空间？

被藏起来的高维空间

夏笳：说到高维的空间，大家一般接触到的可能就是四维空间，还有《星际穿越》里说到的五维空间。

弦理论里有九维、十维甚至十一维，包括刚才说到的三十二维空间，为什么我们日常无法感受到这些高维空间？多出来的维度是以什么样的形式存在的？

黄庆国：它被藏起来了。比如一根绳子，在我们看来是一个一维的东西，如果上面爬着一只蚂蚁，它就能感觉到这根绳的粗细，这就是一个新的维度。在我们看来是一维的东西，蚂蚁看到的就是二维的。

这些多余的维度，我们让它变得很小，使得我们感觉不到它，还有另一种可能性，超弦理论是在九维空间加一维时间的时空中存在的理论，而现实生活中我们能感受到的时空维度有多少？是一个时间的维度，加上三个空间的维度，我们还多了六个空间的维度。当物理学家试图寻找这样的时空结构时，他们发现数学家在几年前已经找到了，这个时空就是卡拉比-丘流形。我们无法把它画出来，因为它是一个六维的空间，我们不能把它展现在二维的平面上。

夏笳：关于M理论有一个梗，美剧《生活大爆炸》的主人公谢尔顿，说他研究的就是M理论，外行才叫弦理论。实际上，谢尔顿的意思是说他做的是升级版的，或者是经过威腾统一之后的弦理论。

黄庆国：尽管我们仍然称之为弦理论，但弦可能并不是最基本的东西，里面已经引入了一个膜的概念，也可以理解为弦起源于膜。所以从这个意义上来说，经过弦理论几十年的发展，到今天，我们认为膜可能才是更基本的东西。

周哲：弦理论只是个开端，将来还可能会走得很远。弦理论最早是玻色弦理论，或者它只能描述玻色子，第一次超弦革命，弦理论看起来是可以描述玻色子的，但是不能把费米子包括进来。用三十二维的方式，还有引入格拉斯曼数，就是要它的“反对易性”，实际上就是超对称性，只有通过超对称性才能把费米子引入到弦理论中。

夏笳：这是在第一次革命的过程中所解决的问题吗？

周哲：这是在第一次革命之前，超弦理论诞生出了五个版本，后来威腾的工作就是发现背后有一个理论能够把它们统一。但是弦理论之后的走向，就有点像科幻中经常有的桥段，比如看到一头大象，就会想到它会不会是动物园里的一部分。

夏笳：在大众的科普里，经常会讲到大统一理论，或者叫万物理论，就是用一套具有最强阐释力的理论，解释所有粒子的相互作用力、物理结构、物理模型等。在这个过程中，弦理论数次扮演了非常重要的角色。

黄庆国：至少目前为止，我们发现弦理论是最有希望成功的万物至理，我们称之为TOE（Theory of Everything）。

6 弦理论可以被验证吗？

验证方法有哪些？

夏笳：我们刚才大概回顾了一下弦理论发展的历程，它经历数次理论革命后变成了现在的状态。但是在这个过程中，理论物理学家的工作是在数学模型或一种猜想的工作里。所以目前为止，弦理论是可以被验证的吗？在验证上有什么样的难点？

周哲：当然可以验证，不过确实很难，弦的尺度太小了，但是可以通过其他途径验证，比如弦理论预言了一些粒子的存在，弦理论中有超空间，超空间具有超对称性，超对称性的一个直接结论就是相现有的所有费米子和玻色子，它们都要有一个和自己对称出来的伴子。比如现在所有费米子都要有自己的玻色伴子，玻色子要有自己的费米子伴子。

按照现在的基本模型，基本粒子一共是61个，到2012年，CERN的LHC大型强子对撞机，发现了最后一个就是希格斯玻色子，标准模型已经很完善了，所有的粒子都已经被发现了，LHC的能量也已经是现在人类能够达到的最高量级了。可是现在所有粒子的数量相当于要翻一倍，它们都要有自己的超对称伴子，但目前为止，这些粒子都没有被发现。

如果发现了，至少能证明超对称理论是正确的，我们就有理由相信超弦理论也是正确的，所以这相当于是一个间接的证明。最直接的就是要看弦，但弦是看不到的。当然还有别的办法，现在一些宇宙学家打算通过21厘米氢线去找宇宙初期的宇宙弦，如果能够找到宇宙弦，也相当于是一个证明。

黄庆国：大家都认为弦理论没有什么实验的证据，但是换一个角度来说，自然界中应该存在费米子，我们在超弦理论中一定要引入超对称，那么超对称就意味着我们除了这些基本粒子以外，还应该有这么多超对称伴子。尽管这些超对称伴子都还没有被发现，但是我们不是已经发现它一半的粒子了吗？

我们已经发现了一半，只是想去找另外一半而已。那么我们怎么去找弦呢？弦可能很小，我们可以建造一个显微镜，而现在能够建造的最好的显微镜是大型的粒子物理加速器。

但是目前为止，我们用最好的加速器还没有找到这样的弦。另一个就是我们可以在天上找这根弦，我们可以从微波背景辐射来看弦移动，它的左边和右边看到的现象是不一样的，但现在我们还没有找到这样的现象。

还有一个办法，宇宙弦会振动，振动时就会发出引力波，它发出来的引力波和黑洞碰撞出来的引力波是不一样的。所以我们还可以利用引力波去找这根弦。

大家总是在说没有找到弦理论的证据，其实在我看来，我们已经有很多证据了，这个证据是什么？就是万有引力。为什么弦理论和万有引力有关系？因为弦有开弦，有闭弦。开弦对应的是物质，一个只有开弦的理论不是自洽的弦理论，因为开弦总可以打个结，变成一个闭弦，而闭弦传递的前后作用就是万有引力。它跟我们的逻辑是一样的，只要有物质、有开弦，就一定有闭弦，有闭弦就一定产生引力，而万有引力已经被我们证明存在了。

实际上，为了描述基本粒子之间的相互作用力，我们原则上都可以不要弦理论，有量子场论就足够了。为什么我们要弦理论？因为弦理论中自然的包含第四种基本相互作用力，也就是引力相互作用力。

这也是为什么上个世纪70年代弦理论被提出来以后，大家对弦理论产生很浓厚的兴趣的一个重要原因，它可以把自然界中最弱的一种相互作用都包含进来。所以，在弦理论中就包含有目前为止我们所了解到的所有要素，这就是我们把它称为TOE的原因。

夏笳：验证弦理论，有一个方法就是用大型的粒子对撞机，可以在这里面捕捉到它的结构。大家比较常听说的就是关于LHC大型强子对撞机，实际上这个对撞机目前还没有做出能够验证弦理论的发现。

我听说美国有一个SSC计划（超导超级对称对撞机），是要建一个更大的对撞机，它大概是多大的规模？

黄庆国：它的规模应该跟LHC差不多。

周哲：其实他们最早也是奔着希格斯玻色子去的，因为又追加了很多预算，在已经花了20亿美元的基础上，又要增加100多亿美元，预算扛不起了，整个项目就放弃了。

夏笳：验证理论物理时需要建实验仪器，这可能是一个巨额投入，运行一次要花很多钱，但是，最后能够得到的结论是否可以有实际的应用？有人会质疑，花了这么多钱建仪器，到底为了什么？这个问题在科普的过程中，应该也有人问。

周哲：每个人的角度不同，比如建对撞机，投进去的是真金白银，产出的是知识成果，是一种价值，对撞机不可能撞出现金。

怎样衡量产出的东西值多大的价值，每个人的感受是不一样的。

夏笳：比如在《三体》中，他认为这种基础理论研究投入非常大，但是它是整个科学研究最底层的，或者说最后、最核心的推动力，如果不去研究和投入，可能其他研究无法取得决定性的进展。

周哲：比如我们真的碰撞出超对称的粒子，这当然是无价的，无法用金钱去衡量。问题是，我们不知道哪一次，什么样的能级能把它碰出来，所以衡量起来比较复杂。

黄庆国：我们做研究的，不仅局限于对撞机。做科学研究不是开公司，所以不会去算性价比，就像当年法拉第发现电磁感应现象时，有人问他这东西有什么用，法拉第的回答是没有什么用。但是，如果我们对电磁理论没有了解，就无法想象我们现在的生活是什么样子。

所以，我认为科学并不是简单用金钱来衡量的。

周哲：科学家本身的想法肯定是这样的，但是终归要有一些部门考虑钱的问题。

7 什么样的人在做弦理论研究？

夏笳：了解到这些进展后，我们现在也无法保障在20年、30年之后，它就一定能够给我们带来一个实际的产品，但是至少我们会看到，它的前景是非常令人期待的。

听说研究学理论的人数在全国乃至全世界都非常少，大概是多少量级的人？

黄庆国：目前，全世界比较活跃的可能有几百人。其实这不少了，想当年，施瓦茨一个人就带来了弦理论的第一次革命。所以，人在精而不在多。

夏笳：我之前在网上看到一个国外的大学教授，他写了一篇文章，解释读PHD的意义。他画了一个图说，如果把人类所有的知识都放在一个圈里，我们日常生活需要用到的知识在这个圈很核心的部位，都是无数代人积淀下来的很稳固的知识。

但是当你再去读书，读硕士、博士时，你是为了通过知识的积累逐渐朝圆圈的边缘挺进，最后抵达了圆圈的边缘，你要做的是跟边界死磕，通过非常孤独、艰难的努力，把圈的边缘磕出一个很小的坑。在外界看来，坑可能在圆圈的圆周上只占了微不足道的面积，但它对于人类的知识来说，就是一小步，也是一大步。理论物理特别能够体现这种所谓的跨越边疆边缘性，因为所问的很多问题都是之前没有人能够去问的，或者说没有人能够回答的。

周哲：终究还是为了传承某种东西。

黄庆国：做科研的，面对的永远是黑暗，我们把光明留给了别人。因为我们总是去发现新的东西，我们面对的都是未知和黑暗。

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