跨越百年，帶你認識“降維打擊”背後的科學征程_風聞
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我相信，只要看過《三體3：死神永生》的人，都會被作家劉慈欣在小説中描述的一種外星武器震驚不已。
那是一張看似完全無害，好像一碰就會碎掉的小紙片。
然而，就是這張輕薄的“紙”，將整個太陽系“壓扁”成了一幅畫！這張紙的名字叫二向箔，它的攻擊手段被稱為“降維打擊”。
作為中國科幻界幾乎唯一的頂流存在，《三體》的火爆將“降維打擊”這個詞推上了流行文化的風口浪尖。
“降維打擊”完全是一個由科幻點子生出的新造詞，但它的生命力與熱度持久得令人吃驚，儼然已經成為了與“降龍十八掌”、“葵花寶典”等金庸武俠神功具有同等傳播效果的文化符號。
今天，我們就來看看，這個根植於現代物理學維度概念的神奇武器背後，有着怎樣的硬核支撐；才氣逼人的網友在各種動圖中造出的二向箔，又得需要多高的科技水平才有可能實現。
01
相對論
兩千多年前，古希臘哲學家亞里士多德在他描述自己宇宙觀的文章《在天堂》（On the Heavens）中寫了這樣一句話：
“a solid has magnitude in three ways and beyond these there is no other magnitude because the three are all。”
簡譯成中文的意思就是“物體有且只有三個維度”。這裏的“三個維度”，不過就是“長、寬、高”罷了。
世界是三維的。這個結論是如此自然、如此明顯、如此契合日常認知。沒有人會懷疑它、反駁它，因為它不是科學真理，而是最明白不過的現實。
直到那個男人出現（愛因斯坦），事情開始起了變化。
1905年，愛因斯坦在論文《關於運動物體的電動力學》（On the Electrodynamics of Moving Bodies）中首次提出了描述物體在高速運動時的物理規律的理論——狹義相對論。
衞星在地球軌道上的飛行速度約為14000公里每小時，相當於光速（30萬公里/秒）的0.0013%。0.0013%看起來可以忽略，但此時相對論的效應已經突顯。根據計算，衞星上的時間流逝每天會比地球慢7微秒（10-6s）。
7微秒聽起來真的很短，畢竟眨個眼還得0.02秒呢。但它的意義並不在於大小，而在於揭示了一個重要的事實，原來在不同的參考系下，時間的流逝速度可以是不同的！
當你從乘坐的公交車上下來後，開走的車會離你越來越遠。運動在你和公交車之間產生空間距離，但你不會發覺的是，運動也會導致你和公交車上的人之間產生時間差別。
從你的角度看，他們在公交車上待得越久，相比於走在路上的你老得越慢。雖然由於公交車的速度遠小於光速，它所帶來的時間差完全可以忽略不計。
但這個事實的存在在一定程度上意味着時間和空間具有同等的地位，因為它們的變化都與運動有關，而這種關聯可以被一種理論統一描述，那就是狹義相對論****。
在相對論誕生後，時間、空間的概念被**“時空”**這一個詞容納取代。
狹義相對論正是關於時空規律的理論。
科學理論對人類認知的推動是巨大的。自此之後，科學家認為萬事萬物運轉的舞台不再是單純的三維空間，而是包括時間在內的四維時空——閔可夫斯基空間**。**
這個名字來源於奧地利數學家閔可夫斯基，他是愛因斯坦在瑞士蘇黎世聯邦理工大學的數學老師。正是他提出了狹義相對論的幾何解釋，將只能單向流逝的一維時間和三維空間融合成一個四維連續體。
1908年，閔可夫斯基在第80屆德國自然科學家和醫師大會上進行了一次名為《空間和時間》的演講，他在開頭時説：“從此以後，空間本身和時間本身都註定要消逝為純粹的影子，只有兩者的某種結合才能保持獨立的現實。”
如果説狹義相對論是首輪革命的話，物理學界很快就會迎來第二輪革命。1915年，愛因斯坦就又提出了一個比狹義相對論更具普適性的理論——廣義相對論。
在該理論中，**時空不僅是個舞台，它還參與到了演出本身。**這是一場人類對宇宙認知的革命，因為時空竟然和相互作用力產生了聯繫！
廣義相對論容納了狹義相對論，並進一步發展了牛頓萬有引力定律，將引力描述為四維時空的幾何屬性。
在該理論中，引力本質上是時空的曲率。越重的天體將時空彎曲得越很，也就等同於引力越大。那些在該天體附近的物體或小行星受到的引力，在視覺效果上就是向凹陷的區域滑落。
廣義相對論是關於宇宙時空運轉規律的高深理論，但它卻給出了一種最為清晰的物理圖像——**引力就是凹陷的時空。**如此直觀，即便是普通人也能理解蘋果為什麼會落到地上，月亮為甚會繞着地球轉，而地球又為什麼會繞着太陽轉。
自成一派的廣義相對論經常被認為是最美妙的科學理論，但一個理論的正確與否只能有一個裁決者，那就是實驗。
恰好，廣義相對論預言了很多可以通過實驗檢驗的東西，其中最令人匪夷所思的就是黑洞。
黑洞並不是一個黑色的洞，它是宇宙中的一種密度極大的天體，是大質量恆星的最終狀態。
黑洞的存在使四維時空在它周圍閉合（曲率無限大），引力大到連光都逃不出去。在外界開來，黑洞不發光，也不反射光。沒有任何物質能從它的附近逃脱，因此漆黑一片，就連時間也停止了！
科幻大片《星際穿越》裏，男女主角來到一個大質量星球（密度遠不如黑洞）一小時，留在飛船上的科學家卻度過了漫長的十幾年，這正是由於時空曲率所導致的時間流逝速度的巨大差異。
人類一直在研究和尋找黑洞，直到2019年，由全球射電望遠鏡網絡組成的事件視界望遠鏡（EHT）陣列公佈了人類拍攝到的首張黑洞照片。它位於M87星系中心，距離太陽系約5500萬光年。
而這距離廣義相對論的提出以及黑洞存在的預言已經過去了一百餘年。
自誕生之日起，廣義相對論經受住了一次又一次的實驗檢驗。它無疑是正確的，在宇宙宏觀尺度上，它甚至可以用完美來形容。
但這並不能讓愛因斯坦滿足，因為在他看來，廣義相對論只是描述了引力而已，但這個宇宙的運轉可不單單是靠引力推動的。
02
力的統一
現代物理學認為自然界有四種基本相互作用力，分別是引力、電磁力、強力、弱力。
引力支配着天體運行，電磁力穿梭在一切帶電粒子之中；強力讓原子核得以形成，弱力使元素衰變得以發生。正是這四種力，將宇宙塑造成了今天這個樣子，使人類有智慧去思考它背後的秘密。
不過，在愛因斯坦提出廣義相對論之時，人們真正認識的力只有兩種，引力和電磁力。
1687年，牛頓提出了用數學語言描述的萬有引力定律。雖然在今天看來，這個理論並不精確，它只是廣義相對論的近似理論，但卻意味着人類智慧首次觸及到了宇宙星空的奧秘。
近半個世紀後的1820年，丹麥物理學家奧斯特（Hans Christian Ørsted）發現電流對磁鐵產生了力的作用；1831年，法拉第（Michael Faraday）發現變化的磁場可以產生電流。人類第一次意識到電和磁可能有着千絲萬縷的聯繫。
1864年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發表了一篇關於電磁場動力學的論文，首次將電和磁作為同一種客體——電磁場，進行描述。
描述它的理論是麥克斯韋方程組，被認為是物理學的首個**“統一場論”。**
愛因斯坦繼承發揚了牛頓和麥克斯韋的科學理論，他從麥克斯韋理論中的光速不變性出發，建立了狹義相對論；而在把“狹義”推廣到“廣義”後，終於完成了對牛頓引力理論的徹底革新。
自此以後，一個執念開始在他心裏生根發芽，並幾乎支配了他後半生的研究軌跡。那就是把兩種看似八竿子打不着的東西——電磁力和引力，統一在一起，創建一個廣義引力理論。
事實上，不單是愛因斯坦，同時代的其他數學家、物理學家也有同樣的想法。例如德國數學家外爾（Hermann Weyl）從數學角度出發，推廣作為廣義相對論基礎的黎曼幾何學，希望將電磁理論納入到廣義相對論中。
然而，外爾的理論十分複雜。雖然它在數學上是合理的，但最終被發現在物理上是不可行的。
1919年4月，另一個德國數學家卡魯扎發現，當引入第五個維度來求解廣義相對論方程時，描述電磁場的麥克斯韋方程組竟然自己出現了！
愛因斯坦對這個發現十分感興趣，因為這意味着在五維時空下，電磁力和引力是統一的，它們只是同一種力在**降維（從五維到四維）**後的不同表現形式。
在卡魯扎的方案中，時空由四個空間維度和一個時間維度組成。這是一種無法用固有思維去想象或畫出來的五維圓柱體，整個時空便處在這個圓柱體中。
不得不説，這是一種極具突破性的思想，因為這完全超越常識（日常經驗），將理論時空觀拓展到了更高的維度。你無法用直覺想象，只能從那一行行的數學語言（公式）中去體會其中的奧秘。
然而，面對這樣一個大膽的想法，除了愛因斯坦等少數幾人，同期的物理學界並沒有表現出很大的熱情。除了因為他們無法理解時空為什麼會有五個維度外，還在於當時的他們都在研究一種很新的東西——量子力學。
量子力學和愛因斯坦的相對論算是同時代的產物，但二者的發展脈絡卻有極大的不同。
在一定程度上，可以認為相對論是由愛因斯坦單槍匹馬建立起來的關於宇宙大尺度規律的成熟的理論（當然，在此過程中也少不了其他科學家的功勞）。所謂一出場即巔峯！
量子力學則是一大批人花費了幾十年的時間搭建起來的，關於微觀世界的直到目前仍不成熟的理論。而且最重要的是，愛因斯坦並不認可當時的量子力學。
雖然愛因斯坦有很多“信徒”，但量子力學的迅猛發展必然也會引起追尋愛因斯坦的人的重視。
1926年，瑞典物理學家克萊因（Oskar Klein）對卡魯扎的五維理論進行了量子解釋，試圖將相對論和量子理論進行融合。為此，他假設新引入的第五個維度捲曲成了特別小的、量子尺度的圓圈。
無法直接感受到它的存在，從而導致五維的圓柱體時空成了四維時空的樣子。
為了方便理解，可以類比想象將一張紙（二維）緊緊捲成一個直徑很小的圓柱體——從遠處看，你根本不會注意到它是一個圓柱體，它看起來就像一條線（一維）。
這個第五維圓圈有多小呢？克萊因估計其半徑只有為10-30釐米的量級，是質子直徑的1019分之一。比物理學上最小的空間尺度單位——普朗克長度（1.6×10-33釐米），大不了多少。
卡魯扎和克萊因的嘗試後來被稱為卡魯扎-克萊因理論。不過，物理學是一門實驗科學。由於無法被實驗證實或證偽，即使有愛因斯坦的站台和支持，同時代的絕大多數科學家也不會將精力投入到這樣一個純理論模型中。
如今看來，卡魯扎-克萊因理論具有極其深遠的影響，它為後世的物理學家探索“大統一理論”指明瞭方向——升維。
可就像卡魯扎的生平很少被人關注一樣，“增加時空維度”這樣一個革命性的思想同樣被除了愛因斯坦等少數幾人外的主流物理學家們束之高閣。
直到在劉慈欣的腦海中注入**“宇宙是十一維”**的那個理論出現前二十年，卡魯扎的思想才又被人們重新拾起，但那已是後話。因為另一套堪比相對論的偉大理論將在未來的半個世紀內，拔地而起！
03
標準模型
1928年，以英國物理學家狄拉克命名的狄拉克方程橫空出世，它劃時代地融合了量子力學和狹義相對論，從量子場的角度成功描述了所有自旋為1/2的基本粒子（如電子）。
這類粒子也被成為費米子（自旋為半整數1/2、3/2……），正是它們組成了宇宙萬物。
1930年代之後，在以波爾、海森堡、薛定諤、狄拉克等人為首的量子物理學家的研究推動下，量子力學已經發展到了一個全新的的階段，並得到了學界的廣泛認可。
（左起波爾、海森堡、泡利、狄拉克、海森堡、薛定諤）
在這種情況下，致力於在**經典（非量子）**框架下統一引力和電磁力的科學家越來越少，連五維時空的提出者卡魯扎都已經“棄物（理）從數（學）”，愛因斯坦變得越來越孤立。
當時，整個物理學正在被“量子”的春風重新塑造，而狄拉克的成果讓人們意識到：原來微觀世界的量子力學是可以和宏觀世界的經典理論融合統一的。
04
QED
於是，如何將以往的理論進行**“量子化”改造**，成了擺在物理學家面前的更緊迫的課題。這時，在宏觀情況下極致成熟的、描述電磁場的經典電動力學（麥克斯韋理論），自然就成了首個目標。
同樣還是狄拉克邁出了第一步。為了將電磁場量子化，他將其描述為一系列“諧振子”的集合，並引入了粒子的產生和湮滅的概念。
而後，一批又一批的物理學家前赴後繼。1940年代末期，費曼（Richard Feynman）、施温格（Julian Schwinger）、朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）各自在自己的工作中，成功將經典的電動力學量子化，構建了量子場論的首個分支——量子電動力學QED。
QED是經典電動力學的相對論性量子場論。從本質上講，它描述了光與物質（帶電粒子）如何相互作用，是第一個實現量子力學與狹義相對論完全融合的理論。
而在發展QED的過程中，科學家逐漸意識到，原來宇宙中不僅只有引力和電磁力，還有另外兩種僅在微觀世界起作用的力——弱力和強力。
05
EWT
弱力真的很弱，其相對強度只相當於電磁力的千分之一。但強度弱並不意味着威力弱，不信你看廣島、長崎、切爾諾貝利。
無論是核爆還是核泄漏，其最大的恐怖之處在於放射性輻射，放射性輻射對人類及其他生物的危害自不必説，而其破壞性的根源正來自於弱力。
1896年，物理學家貝克勒爾和瑪麗居里發現，和天然鈾鹽礦石放在一起的相機底片在陰暗環境下竟然發生了曝光。這是人類首次發現放射性衰變現象，也就是俗稱的輻射。
後來，英國物理學家盧瑟福和他的學生髮現，有些衰變會導致一種元素轉變為另一種元素，意味着衰變產生的射線竟然出自原子核內部！
這是一種全新的自然現象。
經過緊鑼密鼓地研究，科學家發現衰變產生的射線主要有三種類型，分別是α、β、γ射線，本質上分別是帶正電的氦原子核、帶負電的電子、不帶電的光子。
隨之而來的問題是：這些粒子為什麼會從原子核內射出？什麼力量造成了這種現象？
1933年，意大利物理學家費米（Enrico Fermi）提出了嘗試解答這些問題的首個理論——四費米子相互作用，或稱費米相互作用理論。該理論在一定程度上解釋了β射線產生的原因，但遺憾的是，它並不是問題的真正答案。
（β衰變，中子射出一個電子和反中微子後變為質子）
幸好，QED的成功起到了模範和引導作用，在發展弱力理論的過程中，人們“照貓畫虎”地沿着量子場論的框架推進。但即便是這樣，為了那個答案，科學家一找又是三十年。
1959年，格拉肖（Sheldon Glashow）、薩拉姆（Abdus Salam）和沃德（John Clive Ward）提出了電磁力和弱力相互融合的理論架構，弱力的秘密呼之欲出。
除了一個棘手的根本性問題：不同於傳遞電磁力的0質量光子，傳遞弱力的W、Z玻色子需要有質量，但格拉肖等人的理論無法滿足這一要求！
倘若這個問題無法被解決，無論多麼精彩的理論也無法自圓其説，最終仍將改變不了被扔進垃圾桶的命運。
幸好，天降一羣猛男。
幾乎在同時段的50年代末、60年代初，以英國物理學家希格斯為首的多名物理學家提出了為基本粒子賦予質量的希格斯機制。這個機制是如此的巧妙與神奇，人們甚至為它背後的粒子賦予了上帝粒子的稱號！
隨後的1967年，美國物理學家温伯格（Steven Weinberg）巧妙地利用希格斯機制解決了理論中W、Z玻色子的質量起源問題，使融合電磁力和弱力的理論——電弱統一理論****EWT，徹底完成。
自此，弱力的奧秘不僅被完全解開，描述它的理論更是從不同的方向繼承了愛因斯坦的遺志（統一電磁力和引力）：在四維時空下統一了電磁力和****弱力！
電弱統一****理論表明，電磁力和弱力本質上是同一種力，在246GeV的電弱能量標度以上，它們會合二為一。
從人類的角度來看，246GeV實在是太小了，大約只相當於10-14度電的能量。但從微觀粒子的角度看，那就不一般了！想要達到這種能量，它們的速度已經和宇宙中的最高速度——光速，相差無幾。
但話説回來，宇宙已經膨脹了百億年，整個環境中的背景能量很低，這兩種力如今已經“退化”成看起來八竿子打不着的樣子。
相較於弱力，人們對強****力的認識則要晚得多。
06
QCD
1950年代，隨着氣泡室和火花室的發明，實驗粒子物理學發現了大量且數量不斷增加的粒子，也就是後來所説的強子（包括介子和重子）。
從直覺上來説，這麼多粒子不可能都是基本的。
氣泡室記錄下的軌跡
火花室
為了將這些粒子分類並找出它們背後的規律，物理學家提出了多種模型。其中美國物理學家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）在1964年提出的夸克模型脱穎而出並被實驗驗證，成為了當代物理學大廈的重要基石之一。
在該模型中，夸克是組成強子的最基本的粒子。它共有三代六味（flavor，就是種類的意思），分別是上（u）、下（d）；粲（c）、奇（s）；頂（t）、底（b）夸克。
介子是由一個夸克和一個反夸克組成的短壽命不穩定粒子。重子是由三個夸克組成的“正常穩定的日常物質”，例如原子核內的質子和中子。其中質子由2個上夸克，一個1夸克組成；中子則由1個上夸克，2個下夸克組成。
質子
中子
夸克之所以能結合在一起，就是由於強力的作用。強力是四種基本力中最強的，其相對強度是電磁力的100倍，弱力的十萬倍。
而且，由於強力太強了，以至於它在使夸克結合後的剩餘相互作用還能將（多個）質子和（多個）中子呆在一起，形成原子核。事實上，在1970年代強力被提出之前，物理學家根本不知道原子核是如何結合在一起的。
1971年，為了解釋實驗得到的統計數據（SLAC關於電子和原子核的深度非彈性散射實驗），蓋爾曼和德國物理學家弗裏奇（Harald Fritzsch）類比電荷，引入了**“色荷”**的概念。
SLAC探測器記錄從高能質子碰撞後產生的電子
夸克不僅帶電，還帶色。類似於帶電荷的粒子會受到電磁力（場）的作用，帶色荷的粒子會受到強力的作用。
事實證明，色荷的引入是成功的。理論與實驗結果完美匹配。1973年，蓋爾曼和弗裏奇將描述強力的理論命名為量子色動力學QCD。
至此，宇宙中四種基本相互作用力中的三種（電磁、弱、強），都已經有了量子化的理論描述（QED、EWT、QCD）。這些理論同為基本粒子賦予質量的希格斯機制一道，組成了人類歷史上最偉大的理論成就——粒子物理標準模型（Standard Model）。
只剩引力了。
07
宇宙琴絃
引力太微弱了，微弱到只是弱力的1/1033，強力的1/1038！
它是人類最早認識並給出理論描述的力，如今卻反而成了人類最難以理解的力。
愛因斯坦早在一百多年前就給出了引力在宏觀層面的作用理論——廣義相對論。但它就像它的締造者一樣，一直將量子理論拒於千里之外。廣義相對論和量子力學不相容**。**沒有人知道為什麼。一百多年過去了，依然不知道。
無法給出量子化的引力理論，就意味着無法將引力同其他三種力納入同一個框架下進行描述，也就無法完成愛因斯坦追逐半生的夢——統一所有力。
受時代認識所限的愛因斯坦不知道弱力和強力的存在，且一直不接受如今已被大量實驗驗證的量子理論，這意味着他在經典層面統一引力和電磁力的努力是片面的，也註定是徒勞的。
1960年代，電磁力和弱力在更高的能量尺度下完成統一。這距離愛因斯坦的“統一大夢”已經過去了四十年，而他本人也已在1955年去世。
1970年代，量子色動力學的提出標誌着物理學家們羣力完成了粒子物理標準模型，這足以證明人類智慧的無限可能。而這羣最聰明的人，終於把目光再次放到了引力身上。
20世紀70年代中期，一些物理學家突然發現，原來在半個世紀前，就有個叫卡魯扎的人提出了5維時空的引力理論！如此天才般的想法給今人帶來了極大的啓發。
是啊！四維時空下是無法將引力量子化，但誰説時空一定只有4維啊！
很快，一種將愛因斯坦的廣義相對論和超對稱結合的高維理論——超引力理論，被物理學家提了出來。
廣義相對論描述了我們眼中的四維時空，但它本身並沒有對時空的可能維度做限制，即我們可以為任意維度的引力場寫出相同的方程。但奇怪的是，物理學家導出的超引力理論卻對時空維數做出了限制，最大應該是11維。
有限制並不是壞事，這意味着物理學家們可以不用想無頭蒼蠅般隨意假設時空維數。如今，只關注11維就夠了。
物理學家希望找到合適的模型將11維超引力壓縮，從而構建出現實的四維時空，並順便將宇宙中的四種基本力統一。
但事與願違。隨着研究的推進，超引力理論的問題和缺陷逐步出現（例如不能容納現實中的費米子），人們對11維超引力的興趣終於還是消散了。
直到近二十年後，另一個男人將11維時空徹底推上了“神壇 ”，不過起源還要從1969年講起。
08
弦論
那時的人們還沒有完全認識強力，量子色動力學更是還未被提出。為了在未來的物理學史中佔有一席之地，很多物理學家提出了描述強力的各種各樣的理論。
其中就包括南部陽一郎（Yoichiro Nambu）、尼爾森（Holger Bech Nielsen）、蘇士侃（Leonard Susskind）提出的將核力表示為振動的一維弦的模型。
然而，這種基於弦的假設做出了許多直接與實驗結果相矛盾的預測。隨着1973 年量子色動力學成為萬眾矚目的焦點後，“弦”自然失去了強力理論候選者的地位。
但很快，事情開始起了變化。
1974 年，三名物理學家（John H. Schwarz、Joël Scherk、Tamiaki Yoneya）發現，具有某類振動模式的弦與引力子的特性完全匹配！
後者類似於傳播電磁力的光子、傳播弱力的W、Z玻色子，是物理學家提出的傳播引力的假想粒子。
這一發現讓沉睡在主流物理學界數十年之久的目標重新被喚起——將引力量子化，這也是超引力在70年代中期成為研究熱潮的直接原因。
一小撮人開始研究弦理論，並提出了很多種模型。在早期的模型中，弦有兩種，分別是開弦和閉弦。前者有兩個不同的端點，可以簡單理解為一根線；後者則沒有端點，可以簡單理解為一個環。
在最早的弦論中，時空有26維。如果説劉慈欣筆下的11維還能有人胡亂想象一下的話，這個26維對人類的大腦來説就徹底是一團漿糊了。
不過，天佑我方大腦：26維被拋棄啦。
因為那時的理論存在很多問題，其中就包括一類超光速粒子的存在——快子。
愛因斯坦的相對論明確將光速定為了宇宙最快速度，你超光速？老祖宗不答應啊！
除此以外，弦論中只會產生玻色子，沒有費米子。這不僅和現實不符，經歷了重重考驗的粒子物理標準模型也不會答應。
還有一個最重要的問題，使一時被人們寄予有希望成為量子引力理論的弦論再次成了整個理論物理學界的邊緣領域，那就是無窮大。
所謂無窮大，指的是理論中會出現類似於一個數除以0的項，這種無意義的結果被稱為量子異常。
當然啦，物理學家不怕理論出錯，因為他們總能找到辦法去修改理論。
1977年，通過數學處理，人們找到了將理論中的玻色子轉換出費米子的方法（超對稱），而且還避免了快子的出現。如此自洽的結果標誌着一個更高級的理論——超弦，誕生了。
理論中的宇宙時空也從26維降到了10維。
而關於無窮大難題的轉折點則出現在1984年。那年，美國物理學家格林（Michael Boris Green）和施瓦茨（John Henry Schwarz）發表了一篇具有里程碑意義的論文。
他們提出的Green-Schwarz機制可以將無窮大徹底抵消，量子異常現象消失啦！
一輪研究熱潮在物理學界出現。1984——1994年間，數以百計的物理學家開始研究超弦理論，認為它是統一包括引力在內的所有基本相互作用力，建立真正的統一理論的最有前途的方向。
史稱第一次超弦革命。
超弦理論描述了比基本粒子更基本的弦如何在時空中移動。通過將量子力學的思想應用於弦，可以推斷出弦的不同振動模式。
在那期間，人們驚喜地發現：粒子物理標準模型中所有的（六十多個）基本粒子都可以由振動的弦產生。弦的不同振動狀態產生不同種類的粒子。每個粒子的質量，以及它相互作用的方式，同樣由弦振動的方式決定。
這哪裏還是科學，分明是藝術啊！
第一次超弦革命期間，共有五種獨立的超弦理論（I 型、 II 型（IIA、IIB）和雜化型（SO(32)、E8 × E8））被提出。
成果着實豐富，但換個角度來看，理論多並非是好事。因為**萬物之理（Theory of Everything）**只能有一個，那麼多候選者意味着那個真正支配着整個宇宙的理論還沒有被發現，或者説還沒被確定。
不過很快，一個幾乎支配整個超弦領域未來發展的大觸，登場啦。
愛德華威騰（Edward Witten），美國物理學家。歷史學學士，做了近一年政治新聞媒體工作後，轉行研究物理。
09
M理論
1995年，威騰在南加州大學舉行的弦論會議上報告了一個驚人的發現：五種不同的10維超弦理論可能都屬於一個11維的理論，威騰稱之為M理論。
而這正是劉慈欣筆下11維宇宙的真正源頭！
1996年，威騰和他人合作，闡明瞭這個還未完全成型的M理論的數學結構，同時期引發的新一輪研究熱潮被稱為第二次超弦革命。
一些物理學家猜測M理論是關於“膜”的理論。**弦理論用一維的弦替換零維的點粒子擴展了粒子物理學。**如今，一維的弦又被二維或更高維度的膜所取代。
不過，威騰表示：“我之所以稱之為M理論，就是因為它是不明確的。在對其全貌沒有理解的情況下，任何人可以根據自己的喜好將它解讀為“魔法”（magic）、“神秘”（mystery）或“膜”（membrane）。“M”的真正含義，就留給後人去解答吧……”
M理論有11個時空維度，但為什麼我們只能感知到四維時空？為了合理地回答這個問題，並使理論和現實相恰，物理學家們沿用了當年卡魯扎-克萊因理論，的處理方案，那就是將除了四維時空外的其餘七個維度蜷縮起來。
它們蜷縮得太小，以至於完全無法被觀察到。
從純理論的角度來看，M理論無疑是成功的。它整合了超弦理論，並將二十年前的11維超引力召回，讓人們相信它極有可能就是期待已久的量子引力理論，甚至是統一四種基本力的萬物之理。
但同時，它又是個令物理學家不知所措的理論，因為它和卡魯扎-克萊因理論類似，無法給出可被實驗驗證的理論預言。
物理學是一門實驗科學，沒有實驗檢驗，看起來多麼厲害的理論也只能算得上數學遊戲。事實上，M理論和超弦理論發展到現在，其所需的數學工具之複雜深奧遠非一般的物理學家所能掌握，這也導致研究它的人大多是數學家的原因。
而威騰本人更是世界上首位獲得菲爾茲獎章（數學家的諾貝爾獎）的物理學家。
大衞格羅斯、威騰（中）、霍金在印度孟買的弦論會議（2001年）
不過話説回來，倘若M理論得到了實驗證實，威騰將成為比肩牛頓、愛因斯坦的新一代物理學之神。但想要將人送上神的寶座，就遠不是一個幾十公里長的對撞機能完成的任務了！
10
實驗之路
無論是一百多年前的廣義相對論，還是之後的粒子物理標準模型，它們之所以能進入教科書，成為理論物理學研究生的基礎課程，完全是因為它們已經通過了實驗的考驗。
從目前的實驗結果看，它們就是對的。
1915年，愛因斯坦發表的廣義相對論預測太陽邊緣的星光會受到引力的作用偏轉1.75弧秒。
為了驗證這個結果，1919年，英國天文學家愛丁頓（Arthur Eddington）和戴森（Frank Watson Dyson）分別率隊前往西非的普林西比島和巴西的索布拉爾鎮，觀測5月29日的日全食並測量星光的偏轉。
探測結果我不説大家應該也能猜到，愛因斯坦“一戰封神”。廣義相對論取代牛頓萬有引力，成了最精確的引力理論。
除了星光偏轉，廣義相對論同樣預言了黑洞和引力波的存在。而物理理論的威力在於，無論被預言的東西藏得有多深，終歸逃不了被實驗發現的命運。
2016年2月，8年時間建設（1994——2022），5年時間大修（2010——2015），投資總額達6.2億美元的美國激光干涉儀引力波天文台LIGO發表了一篇論文，正式宣佈發現了一百年預言的引力波。
該信號來自於兩個約30個太陽質量的黑洞合併，距地球約13億光年。
對於粒子物理標準模型來説，想要驗證它，必須要用到另一種資巨大的裝置——對撞機。
自粒子物理成為一個專門的領域以來，為了研究它，人類歷史上共建設了30多台對撞機。
從最初周長只有3米的正負電子對撞機AdA（意大利；1961—1964），到如今27公里長的大型強子對撞機LHC（歐洲主導，全球合作；2010—今）。實驗和理論相輔相成，共同塑造了標準模型這一偉大的科學成就。
1974年11月，美國斯坦福直線加速器中心 (SLAC) 的直線對撞機（長3.2公里）發現了由正反粲夸克組成的J /ψ介子。它的發現被稱為粒子物理學的“十一月革命”，標誌着對標準模型展開實驗驗證的開端。
1979年，德國的PETRA對撞機**（周長2.3公里）**發現了傳播強力的中間玻色子——膠子，有力地支撐了QCD的正確性。
1983年，歐洲核子研究中心CERN的超級質子同步加速器SPS**（周長6.9公里）**發現了傳播弱力的中間玻色子——W/Z粒子，電弱統一理論驗證完成。
1995年，美國的Tevatron對撞機**（周長6.28公里）**宣佈發現了頂夸克，標誌着標準模型只剩下最後一個粒子還未出現，那就是上帝粒子——希格斯粒子。
2013年，建設週期長達10年，耗資超百億美元的LHC**（周長27公里）**宣佈發現了理論預言的希格斯粒子，標準模型得以圓滿。
但這還遠不是故事的終點。
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萬物之理
物理學的最高追求早在一百多年前就被愛因斯坦指定，那就是“統一”。這不僅是人類政治、軍事上的目標，同樣也是科學家孜孜探索的聖盃。
宇宙從一個奇點（理論假設）爆炸膨脹，進而形成了我們生活的世界，頭頂的星空，而所有故事的發展脈絡都遵循着唯一一個設定，那就是統一支配所有力的萬物之理。
它讓宇宙成了今天這個樣子，讓地球上產生了人這個物種，去思考宇宙背後的規律。以及，《三體》裏神話般的武器。
《三體》中的二向箔存在嗎？我們能造出它嗎？
要回答這些問題，在我看來首先要解答以下幾個問題：
·時空存在更高維度嗎？
·如果存在的話那些超越四維的額外維度去哪了？
·什麼力量或機制導致了那些額外維度的消失（蜷縮）？
·我們能利用這種機制嗎？如果可以的話需要滿足什麼條件？
只有當這些問題都是肯定後明確的答案後，我們才能像追求可控核聚變那樣，去開發支配整個宇宙時空的能力。
但遺憾的是，我們對完成這項事業沒有預期，因為我們根本沒有能力去開展實驗來探索這些問題！
以被物理學家寄予萬物之理候選者厚望的超弦或是M理論為例，理論中的“弦”或“膜”非常非常小，比基本粒子還要小的多得多。
物理學中存在一個被稱為“普朗克尺度”的概念，它是可被測量的最短距離，因為任何更高能量的對撞都不會再將物質分裂成更小的碎片，反而只會產生吞噬一切的量子黑洞。
從物理上來説，比普朗克長度更短的長度是沒有意義的，時空也不復存在。
而弦（膜）的特徵長度正是在普朗克長度的數量級，大約是10-35米。與之相比，半徑約為8.3×10-16米的質子完全就是龐然巨物！這近20個數量級的尺寸差距，比細胞（10-5米）和地球（107米）之間的對比還要強烈的多。
弦（膜）那麼小，我們怎麼才能看到它們？還沿用老套路用對撞機嗎？原理上可以，但實際上是天方夜譚。
因為想要“探測”到如此小的物理時空，地球空間的尺度已經不能滿足將基本粒子撞碎的能量需求。即便對撞機能繞地球赤道建一圈，也無法觸碰到普朗克尺度的分毫。
或許環太陽系、環銀河系對撞機才能告訴我們萬物之理真正的答案，但如果人類有能力建設這種尺度的對撞機，或許早就解開了萬物之理的秘密。到那時，有能力扔下二向箔的或許不是外星文明，我們的出現才是真正的“降維打擊”。
話説回來，由於無法驗證超弦/M理論的物理正確性，很少有人將重心放到對它們的研究上。據統計，全世界只有三四千人研究涉及過這個領域，而專門研究它的更是少之又少。
高維時空是個純理論的假設，這類概念能被普羅大眾認知並引發廣泛討論，劉慈欣功不可沒。
雖然對於物理專業的研究者來説，維度的概念再平常不過，但誰也沒想到還能被科幻作家玩出花（畫）來。
或許，我們從來不缺能促進文化產業野蠻生長的肥沃土壤，缺少的只是一個想法，一次靈光閃現。
大劉靠着這些根植於基礎物理的前沿概念，營造出了個大氣磅礴的三體宇宙。圍繞這個頂級IP，每年的相關產值高達多少億元，養活了多少家公司。
或許，許多不關心科學的普通人自此愛上了科學，許多仍對未來懵懂的孩子自此埋下了未來從事科學研究的種子。
科技是第一生產力，科普（科幻）則從全方位助力。
而這，正是找不到實際應用的基礎科學，除了科學探索本身外的，又一項功績。
參考文獻
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[4]Historyof string theory, https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_string_theory#cite_note-54
[5]M-theory, https://en.wikipedia.org/wiki/M-theory
[6]The very early universe, http://www.earlyearthcentral.com/early_universe_page.html
[7]Experimental verification of the standard model of particle physics, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8141838/