幾十年來，物理學家一直夢想著能發展出可解釋一切的“萬有理論”。萬有理論肩負著一個非常艱巨的工作，那就是需要將引力納入到自然界的量子定律之中，并且使引力在大尺度上表現的像彎曲的時空一樣——正如愛因斯坦所描述的那樣。

時空曲率會以引力能量的量子化的單位“引力子”的集體效應出現。但是，當我們簡單地嘗試計算引力子間的相互作用時，會導致結果中出現許多荒謬無意義的無窮大，這預示著引力還需被更深入地了解。

愛因斯坦的廣義相對論將引力和彎曲的時空聯系了起來

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M理論被認為是萬有理論的主要候選者。但是到目前為止并沒有能證實弦理論的實驗性證據，也沒有其它的理論能夠很好的描述引力該如何與其他基本力相結合。那么，為何M理論會優于其他理論呢？

弦理論中最著名的假設是，引力子以及電子、光子和其他一切粒子都不是點狀粒子，而是不可感知的微小能量帶（或者我們可以稱之為“弦”）以不同的方式進行振動。就好比小提琴的琴弦若以不同方式振動，可奏出不同音高一般，基本粒子也是通過弦的不同振動狀態而形成的。在20世紀80年代中期，對弦理論的關注得到前所未有的飆升，當時物理學家發現它對量子引力給出了在數學上一致的描述。但弦理論的五個已知版本都是“微擾”的，意味著它們在某些條件下會失效。理論物理學家可以計算出兩個弦引力子在高能狀態下碰撞會發生什么，但不能在引力子匯集到足以形成黑洞的情況下也進行這樣的計算。

M理論將弦理論的五個版本（以及超引力）統一到一個單一的數學結構中。看起來，它們都像是在不同的物理條件下的理論。

物理學家愛德華·威滕（Edward Witten）發現了所有弦理論都有著同一根源。他發現了種種表明微擾弦理論可以合成為一個相干的非微擾理論的跡象，他稱其為M理論。M理論看起來像是在不同物理條件下的不同弦理論，但它本身在有效性范圍上并沒有什么限制，這是萬物理論需具備的一個重要前提。

物理學家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）發現了AdS / CFT對偶：將一個叫作反德西特（anti-de Sitter, AdS）空間的時空區域內的引力，與圍繞著該區域邊界運動的粒子的量子描述（共形場論，Conformal Field Theory，CFT）連接在一起。他的發現把弦論和物理學家已經研究得相當透徹的量子場論聯系起來，令所有弦論研究者興奮不已。

AdS / CFT為用于AdS時空幾何的特殊情況下的M理論提供了一個完整的定義，這些特定情況下的負能量使得時空以與宇宙不同的方式彎曲。對于這樣一個假想世界，物理學家可以描述在所有能量下發生的過程，理論上說，甚至還包括黑洞的形成和蒸發。

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何為AdS / CFT對偶？

AdS/CFT對偶全稱為反德西特/共形場論對偶，是兩種物理理論間的假想聯系。對偶的一邊是共形場論，是量子場論的一種，量子場論中還包括與描述基本粒子的楊-米爾斯理論相近的其他理論。對偶的另一邊則是反德西特空間（AdS），是用于量子引力理論的空間。

1、AdS/CFT對偶的理論認為量子引力是從弦理論或其現代延伸M理論推導出來（以弦理論、M理論為基礎）。經典物理學認為空間有三維（上下、左右及前后），還有一維時間。因此用現代科學的語言，會說時空是四維的。弦理論和M理論有一個很奇怪的特點，就是時空需要額外的維度，用于維持數學上的一致性（對稱性——認為四種作用力在更高維度是統一的）。因此，時空在弦理論中有10維，而在M理論中則有11維。從弦理論或M理論中得出AdS/CFT等量子引力理論的過程，稱作緊致化。緊致化能夠減低理論的有效時空數，將多余的維度“卷曲”成圓圈。（緊致化可以通過考慮多維物件來解釋，如橡膠水管。如果從足夠距離外看橡膠水管的話，它看起來就只有一維，就是長度。然而，向水管靠近的話，就會發現它的第二維圓周。因此在橡膠水管中爬行的螞蟻能以二維方式移動。）

2、使用AdS/CFT對偶時，除了要考慮量子引力理論外，還需要考慮某一種叫共形場論的量子場論（所有粒子是由基本場的激發所描述）。它是一種對稱性強且具有良態的量子場論。這種理論包括兩種應用，一是弦理論，用于描述弦傳播時所掃出的表面；二是統計力學，用于模擬熱力學臨界點。

3、在AdS/CFT對偶中要考慮的是在反德西特背景上的弦理論或M理論。亦即是說其空間幾何是由愛因斯坦方程的某種真空解所描述。反德西特空間是一個數學模型，其中點與點間的距離概念（度規），與日常歐幾里德幾何中的距離概念不一樣。反德西特空間與雙曲空間有著密切的關系，而雙曲空間可用圖的圓盤表示。圖為由三角形和正方形所組成的密鋪。用某種方式可以為點間的距離下定義，使得所有三角形和正方形都是一樣大小的，并且圓周的外邊界與其內部任一點的距離為無限。

圖中三角形、正方形的邊都是雙曲線。所有三角形大小相等，正方形也是。邊界與其中任意一點距離為無限。

現在想像一疊雙曲圓盤（三角形、正方形的邊都是雙曲線構成），其中每一片圓盤代表某時間的宇宙態。而由此形成的幾何物體就是反德西特空間。它看起來像實心的圓柱體，其中每一片截面都是雙曲圓盤。下圖中時間以垂直方向行進。這圓柱體的表面在AdS/CFT對偶中有著重要的角色。反德西特空間跟雙曲圓盤一樣，它的彎曲方式使得內部任何一點與邊界面的距離為無限遠。這樣的結構雖然描述了只有二維空間加一維時間的假想宇宙，但還是可推廣至適用于任何維數。雙曲空間實際上是可以超過二維的，把這些雙曲空間疊起來就能形成反德特空間的高維度模型。

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反德西特空間的重要特點在于其邊界（三維德西特空間的邊界看起來像圓柱體）。這種邊界有一個特性，就是在任何點的局部范圍都和閔可夫斯基時空很像，而閔可夫斯基時空就是非重力物理所用的時空模型。因此可以構建一套“時空”由反德西特空間邊界提供的輔助理論。而這項觀察正是AdS/CFT對偶的起點，因為AdS/CFT對偶把反德西特空間的邊界視為共形場論的“時空”。對偶主張共形場論相等于反德西特空間主體的重力理論，也就是說兩者可以像有“字典”的那樣將計算互相翻譯。一套理論中的每一件實體在另一套理論中都有對應的實體。比方說，重力理論中的單一粒子可能對應邊界理論中的某堆粒子。此外，兩套理論的量化預測也是一致的，例如說重力理論中兩個粒子碰撞的概率是40%，那么共形場論的對應粒子堆碰撞概率也會是40%。

反德西特空間邊界的維度比反德西特空間本身的要低。比方說，上文的三維例子，其邊界為二維表面。由于兩理論間的關系就像三維物件與全息圖形象的關系，所以AdS/CFT對偶是一種“全息對偶”。雖然全息圖是二維的，但是它儲存了所代表物體的三維信息編碼。AdS/CFT對偶也是一樣，雖然它所聯系的兩套理論存在于不同維數的時空，但是對偶假定它們是完全相等的。共形場論就像是全息圖，捕捉了較高維數的量子引力理論信息。

這一連串的發現致使大部分物理學家都將M理論列為萬有理論的優先候選，盡管它在這個宇宙中的確切定義仍是未知的。而理論是否正確則又是另一個完全獨立的問題了。理論所假想的“弦”，以及這些可供這些弦來回擺動其中的額外的、卷曲的空間維度，比實驗（如大型強子對撞機LHC）的可觀測尺寸小1億億（10^16）倍。還有一些如宇宙弦和超對稱等可能被證實的理論的宏觀特征，仍然沒有出現。

證據的盡頭：人類可以一個寬泛的尺度上（白色區域）探測宇宙，但是現代物理學理論所考慮的許多尺度已經超出這個范圍之外（灰色）。

其他萬有理論的候選也存在著各種各樣的問題，而且還沒有哪個其他理論能做到重復弦理論所描述的數學一致性，如引力子間的散射計算。（按 Simmons-Duffin 的說法，還沒有任何一個弦理論的競爭者能夠完成這個計算的第一步，也就是第一個“量子修正”。）也有哲學觀點認為，弦理論作為唯一已知的一致理論的現狀，就是該理論是正確的證據。

文章來源：智能科技

IEEE Spectrum

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