大家都知道二维空间 ，三位空间甚至四维空间，但是大家有没有想象过十维空间呢？质心教育（https://cpho.eduzhixin.com/）小编在翻看资料的时候
，无意中发现了十维空间，今天就和大家来分享下

　　前两天有报道介绍科学突破奖。荣获2017年基础物理学科学突破奖的是三位超弦理论专家 。当时 ，蝌蚪君只是说
，弦论是把本世纪初发现的量子力学与广义相对论结合起来的理论，并没有具体解释是什么意思。

　　即使远隔千山万水 ，我也能感受到你们的亿脸懵逼
。

　　所以今天跟各位聊聊为什么要有弦论
，以及弦论主要说的是什么。

　　把量子力学与广义相对论结合起来

　　人类（或者说物理学家）有一种执念：宇宙的本质是简洁的（记住这句话） 。一定有一个最简洁的理论，能表达世界
。宇宙万象 ，不过都是它的演化而已。

　　目前
，在宏观大尺度上，广义相对论非常好用 ，而在微观世界
，量子力学非常好用 。但世界不可能是割裂的，这两个乍看之下截然不同的理论 ，一定是“一个问题的两面”
。为了把他们二者结合，才有了弦论。不过
，在介绍弦论之前，我们先要明白 ，量子力学与广义相对论的矛盾究竟在哪里
，为什么必须开发出一套复杂的弦论才能将其结合 。

　　先来说说引力
。众所周知，根据广义相对论 ，引力的本质是时空的弯曲。为了解释清楚
，我们需要引入一个非常经典的例子 。把时空比作床单，星球（例如图中的地球）就像是床单上的玻璃球——它的质量会让时空产生形变（即时空的扭曲） ，因此
，旁边质量更小的物体（例如图中的月球），就会掉落坑中（进入地球的引力范围 ，围着地球转）
。

　　这个理论很好理解
，但它有一个隐含的条件：没有物质的时空本身是平坦的。也就是说，没有玻璃球压着 ，床单就不能出坑，而应该是平平整整的 。但量子力学得到的结论刚好相反——在微观尺度
，空间并不是平坦的，而是凹凸不平 ，有涨落的。

　　量子涨落

　　打个比方
，宇宙就像一幅油画，虽然远远看去图像十分平滑圆润 ，但如果你凑到屏幕跟前仔细看
，就能发现颜料堆积的高低起伏
。

　　油画局部放大

　　不过，这个微观是多微观呢？答案是“普朗克尺度 ”。

　　普朗克尺度是指约 1 × 10^19GeV 量级的能量尺度 ，即HBAR
，C，G都取为一时得到的时间 ，长度
，质量尺度 。在普朗克尺度里，引力的强度变得与其他基本作用力相当 ，理论物理学家认为所有的基本作用力在此统合，虽然详细的机制仍不清楚
。

　　宇宙有四大基本作用力
，除了引力之外，还有强核力 、弱核力和电磁力。但这四个力在宏观尺度下的强度是不同的 。举个例子 ，两块磁铁近到一定距离
，会因为电磁力互相吸引贴到一起
。但如果把两块磁铁换成质量相等的两块石头，彼此间隔相同的距离 ，却不会因为引力而吸到一起——这就是因为引力的强度太低了。如果万有引力的强度为 1
，那么弱力为 10^25 、电磁力为 10^36
、强力为 10^38  。只有当小到普朗克尺度时，引力的强度才变得与其他三个力相当 ，实现四个力统合
。

　　现在我们总结一下情况：普朗克尺度下
，四个基本力统合，但由于时空不平滑 ，广义相对论不可用。宏观尺度下
，广义相对论可用，但量子力学与其是割裂的 ，无法实现统合 。这就是矛盾所在
。

　　弦论登场

　　在正式介绍弦论之前，我们先要澄清一点：就像欧式几何一样
，弦论是一套能够自圆其说的理论，就像世界上没有几何中完美的圆一样 ，弦论现在也无法被实验验证。

　　有开弦和闭弦两种

　　欧式几何有5个公理
，例如两条平行线不可能相交，其他一起都是由这5个公理推导出来的 。类似的 ，弦论也有3个“公理”：

　　1： 基本粒子的本质是一根弦
，弦的不同震动产生了不同粒子。

　　2：存在比我们目前发现的四维时空更多的时空维数
。弦论本来要求时空是26维的，后来发现加上下面提到的“超对称
”的话 ，时空是10维的。

　　3：宇宙中的基本粒子之间存在超对称 。所谓超对称的意思就是
，所有基本粒子都有超对称伴侣，没有一个是单身的
。

　　没想到 ，连高深的理论物理都开始虐狗了

　　正因为有了超对称
，假设2里面提到的10维时空就可以写成10=4+6。其中4是我们熟知的三维空间+时间，而6则缩小为一个小宇宙 ，这小宇宙的名字叫做卡丘空间（不是神奇宝贝里的皮卡丘……）

　　除了我们熟知的四维，剩下的6维卷曲在一起
，称卡丘空间

　　既然弦论使用了那么多假设，那么我们为什么还需要它呢？从理论上讲 ，闭弦震动产生引力
，开弦震动产生各种粒子 。这样，弦论就统一了量子力学和广义相对论
。从实用性讲 ，弦论解决了一个很大的计算问题。本来像电子这样的基本粒子被认为是1个点
，没有大小 。 但是电子是有电场的，电场是有能量的（手机无线充电的电能就来自于电场）
。

　　于是 ，电子所在的那个点的电场强度是无穷大
，也就是说，在那里 ，能量无穷大。根据质能方程E=mc^2
，电子的质量也变成了无穷大 。

　　万恶的无穷大

　　为了解决这个问题，物理学家发明了一套很“掩耳盗铃”的技术 ，这套技术假设电子本身具有负无穷大的质量
。这样，一个负无穷大再加上一个正无穷大
，就能得到一个有限的数。本来这套“掩耳盗铃 ”的技术勉强能使 。可惜的是，到了引力子那里 ，这套方法就完全失效了。于是
，不得不另辟蹊径——这就有了弦论
。物理学家放弃了点粒子的看法，而假设基本粒子是一根弦。这样的话 ，就能避免所有的“无穷大问题
”了 。

　　你可不要小看这个无穷大问题
，对于不需要做实验的理论物理来说，能算出有意义的结果 ，就是最重要的事
。