本文為蔡榮根院士為《科學(xué)世界》雜志2021.4期撰寫(xiě)的卷首語(yǔ)

隨著2012年所謂“上帝粒子”的希格斯粒子在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上被發(fā)現(xiàn)，描述物質(zhì)基本組元及其相互作用的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型取得了極大的成功。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型成功地描述了除了引力之外的3種基本相互作用（強(qiáng)、弱和電磁相互作用），但是它仍然存在規(guī)范等級(jí)、宇宙學(xué)常數(shù)、暗物質(zhì)等一系列問(wèn)題。這些問(wèn)題激勵(lì)著物理學(xué)家尋找超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，其中一個(gè)重要的思想就是聯(lián)系費(fèi)米子自由度和玻色子自由度的超對(duì)稱(chēng)性。

在20世紀(jì)強(qiáng)子物理的研究中，為了描述雷吉（ T . Regge）看到的強(qiáng)子的自旋和質(zhì)量之間的關(guān)系，南部陽(yáng)一郎、薩斯坎德（L .Susskind）等人在70年代首先提出“利用1維弦的運(yùn)動(dòng)來(lái)代替點(diǎn)粒子運(yùn)動(dòng)”的思想。1維的弦可以是閉合的圈即閉弦，也可以是開(kāi)口的弦即開(kāi)弦?；玖Ｗ觿t來(lái)自于弦不同的振動(dòng)模式。然而，隨著蓋爾曼（M. Gellman）等提出的量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）理論的成功，弦論的光芒漸漸被掩蓋，不過(guò)其思想一直沒(méi)有中斷。因?yàn)殚]弦中自然地含有一個(gè)自旋為2的無(wú)質(zhì)量粒子（引力子），因此人們猜測(cè)弦論可能不是作為一個(gè)強(qiáng)相互作用理論，而是應(yīng)該作為一個(gè)量子引力理論而存在。

最初的弦論是玻色弦理論，理論中只有玻色子而無(wú)費(fèi)米子，并且有包含不穩(wěn)定的快子、必須存在于26維時(shí)空中等問(wèn)題。超對(duì)稱(chēng)思想和弦論的結(jié)合，在世界面上加入費(fèi)米子自由度使其具有超對(duì)稱(chēng)性，便誕生了超弦理論。超對(duì)稱(chēng)的引入修改了反常的計(jì)算，使得時(shí)空維度只需要10維便可。除了我們生活的4維時(shí)空，其他6個(gè)維度被卷曲在卡拉比-丘流形上。這種額外維的思想可以追溯到20世紀(jì)20年代卡盧察（T. Kaluza）和克萊因（O. Klein）提出的高維時(shí)空的想法，愛(ài)因斯坦也試圖以此統(tǒng)一引力理論和電磁相互作用。在這個(gè)意義上，超弦是通過(guò)額外維的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)物理上大一統(tǒng)的一種途徑。

超弦理論的發(fā)展伴隨著兩次革命。首先是在1984年，格林（M. Green）和施瓦茨（J.Schwarz）發(fā)現(xiàn)了反常相消機(jī)制，這是物理學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)了自洽的弦理論。隨后逐漸建立了5種不同的弦理論，是為“第一次超弦理論革命”。

接著在1995年，威滕（E. Witten）發(fā)現(xiàn)了這5種看似不同的弦論其實(shí)是某種更高維的M理論的不同近似，在原理上將其統(tǒng)一。因此，M理論也被稱(chēng)為“描述世界的終極理論”。波欽斯基（J. Polchinski）發(fā)現(xiàn)除了1維的弦之外，理論中還應(yīng)該存在延展的物體，即D膜。1997年，馬爾達(dá)西那（J. Maldacena）基于D膜理論發(fā)現(xiàn)了AdS/CFT對(duì)偶，即反德西特時(shí)空（AdS）上的超弦（M）理論與其邊界上的共形場(chǎng)論（CFT）的等價(jià)性。AdS/CFT對(duì)偶聯(lián)系了引力理論和量子場(chǎng)論，并首次給出了引力全息性質(zhì)的定量聯(lián)系。因其廣博的聯(lián)系和內(nèi)在的本質(zhì)屬性，AdS/CFT對(duì)偶被提出來(lái)后一直受到理論物理學(xué)界極大的關(guān)注和重視。同時(shí)，弦論還極大地推動(dòng)了黑洞物理的發(fā)展?；贒膜物理，施特羅明格（A. Strominger）和瓦法（C. Vafa）首次給出了一個(gè)對(duì)一類(lèi)超對(duì)稱(chēng)黑洞的黑洞熵的微觀自由度解釋。鑒于這些重要成果的扎堆出現(xiàn)，這一弦論研究的黃金時(shí)期被稱(chēng)為“第二次超弦理論革命”。

超弦理論因其過(guò)高的能標(biāo)以及額外維度的要求，在傳統(tǒng)的對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)上極難去證實(shí)或者證偽，這造成了對(duì)超弦理論的一些爭(zhēng)議。一個(gè)可能的機(jī)遇來(lái)自于宇宙學(xué)的觀測(cè)。近來(lái)，越來(lái)越多的人在研究弦論在低能下會(huì)給我們生活的宇宙提出怎樣的限制。弦沼澤地思想的提出，給出了諸多宇宙學(xué)中可以觀測(cè)檢驗(yàn)的猜想，這或許可以帶來(lái)證實(shí)或證偽弦論的證據(jù)。

盡管弦論是否是描述我們這個(gè)世界的大一統(tǒng)理論還有待時(shí)間的證明，但作為一個(gè)理論框架的超弦已經(jīng)成為研究物理問(wèn)題的重要方法，給數(shù)學(xué)界和物理學(xué)界帶來(lái)了諸多意想不到的驚喜。期待有更多的人去了解它、探索它和發(fā)展它。