本文為蔡榮根院士為《科學(xué)世界》雜志2021.4期撰寫的卷首語

隨著2012年所謂“上帝粒子”的希格斯粒子在歐洲大型強子對撞機（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、弱和電磁相互作用），但是它仍然存在規(guī)范等級、宇宙學(xué)常數(shù)、暗物質(zhì)等一系列問題。這些問題激勵著物理學(xué)家尋找超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，其中一個重要的思想就是聯(lián)系費米子自由度和玻色子自由度的超對稱性。

在20世紀(jì)強子物理的研究中，為了描述雷吉（ T . Regge）看到的強子的自旋和質(zhì)量之間的關(guān)系，南部陽一郎、薩斯坎德（L .Susskind）等人在70年代首先提出“利用1維弦的運動來代替點粒子運動”的思想。1維的弦可以是閉合的圈即閉弦，也可以是開口的弦即開弦?；玖Ｗ觿t來自于弦不同的振動模式。然而，隨著蓋爾曼（M. Gellman）等提出的量子色動力學(xué)（QCD）理論的成功，弦論的光芒漸漸被掩蓋，不過其思想一直沒有中斷。因為閉弦中自然地含有一個自旋為2的無質(zhì)量粒子（引力子），因此人們猜測弦論可能不是作為一個強相互作用理論，而是應(yīng)該作為一個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費米子，并且有包含不穩(wěn)定的快子、必須存在于26維時空中等問題。超對稱思想和弦論的結(jié)合，在世界面上加入費米子自由度使其具有超對稱性，便誕生了超弦理論。超對稱的引入修改了反常的計算，使得時空維度只需要10維便可。除了我們生活的4維時空，其他6個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）提出的高維時空的想法，愛因斯坦也試圖以此統(tǒng)一引力理論和電磁相互作用。在這個意義上，超弦是通過額外維的思想來實現(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，馬爾達西那（J. Maldacena）基于D膜理論發(fā)現(xiàn)了AdS/CFT對偶，即反德西特時空（AdS）上的超弦（M）理論與其邊界上的共形場論（CFT）的等價性。AdS/CFT對偶聯(lián)系了引力理論和量子場論，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對偶被提出來后一直受到理論物理學(xué)界極大的關(guān)注和重視。同時，弦論還極大地推動了黑洞物理的發(fā)展?；贒膜物理，施特羅明格（A. Strominger）和瓦法（C. Vafa）首次給出了一個對一類超對稱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期被稱為“第二次超弦理論革命”。

超弦理論因其過高的能標(biāo)以及額外維度的要求，在傳統(tǒng)的對撞機實驗上極難去證實或者證偽，這造成了對超弦理論的一些爭議。一個可能的機遇來自于宇宙學(xué)的觀測。近來，越來越多的人在研究弦論在低能下會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)中可以觀測檢驗的猜想，這或許可以帶來證實或證偽弦論的證據(jù)。

盡管弦論是否是描述我們這個世界的大一統(tǒng)理論還有待時間的證明，但作為一個理論框架的超弦已經(jīng)成為研究物理問題的重要方法，給數(shù)學(xué)界和物理學(xué)界帶來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。