如果你在谈论量子物理学，尤其是它们与现代物理学的关系，那么你可能会遇到“弦理论”这个术语。这听起来像是对打结或系绳的研究，取决于你怎么看，这与事实相去不远。
弦理论家的目标不是打结，而是把广义相对论和量子物理学联系起来。这是存在于日常生活中的两个截然不同的领域，每一个领域都有自己的法则来定义宇宙的各个部分是如何运作的。
广义相对论是研究“大尺度”的学科。牛顿万有引力定律（万有引力的大小与两个物体的质量之积成正比，而与它们的距离平方成反比）是在适当的范围内与广义相对论一致的定律之一。这可以通过观察史瓦西方程的测地线运动得到。
- 基本的史瓦西半径计算，其中R =半径，G =重力常数，M =黑洞质量，c =光速。
量子物理学是研究“小尺度”的学科。当你观察量子世界的时候，你会发现几乎所有的东西都在粒子层面上。这里的一个想法是量子叠加，你可以得到一个量子位，它同时具有0和1的值，以及介于0和1之间的每一个数字。这主要适用于小粒子，比如光子。
在这两种情况下，我们得到了两个非常重要的东西，它们给了我们宇宙的法则。不幸的是，这些定律通常是不一致的，当我们把它们应用到量子上时，我们得到的方程是有意义的，但当我们试着把它们放大时，就完全没有意义了。
谁把猫从盒子里放出来了？
这里，我猜你们听说过薛定谔的猫，如果没有，这里有一个简短的总结：
盒子里有一只猫，里面有一个放射性元素，一个探测器，还有一瓶毒药。
- 这个装置看起来是这样的：探测器，放射性元素，和毒药，都在猫的附近。然而，接下来的事件决定了猫的命运。猫的命运是不能完全知道的，直到我们打开盒子，猫有两种状态一：死亡状态或活着的状态。
探测器检测到放射性元素，探测器打碎了毒药瓶，杀死了猫。结局：猫死了。
或者，放射性元素没有被检测到，毒物没有被破坏，因此猫活了下来。结局：猫还活着。
那么这只猫是死是活呢？好吧，我们不知道，直到我们打开了盒子，这意味着，在那一刻到来之前，猫同时是活着的和死的。但是，当您查看猫时，会假定它处于一种状态。这就是量子叠加的整个概念；它们在两种状态下都存在，直到它们被观察到，然后它们假设其中一个。
当薛定谔提出这个想法时，它最初被用作一个思维实验，后来被用来解释叠加。在现实中，这是行不通的，因为你不能让一只猫同时既是活的又是死的，而你可以让一个粒子同时既是1又是0。
- 叠加：两种状态，直到被观察到为止，在这种情况下，只有一种状态可以被认为是粒子的真实状态。
这对经典力学来说不是好兆头；原因是宏观世界中的物体之间的相互作用比粒子之间的相互作用要多。在讨论量子领域的粒子时，观察它们是如何保持量子相干性的也很重要。
量子相干性—量子态的魔术贴
让我们来看看维持量子态的必要状态，也就是量子相干态。当一个粒子处于量子相干时，你基本上可以把它想象成叠加；同时处于两种状态的能力。
- 量子相干是一种保持在量子态的能力，可以经历叠加，也可以是之后的纠缠，在纠缠中，两个粒子同时代表相同的东西，因为它们被纠缠了。
另一种思考方式是有一个粒子它可以和很多不同的系统相互作用，因此是理想的实验。
不仅如此，在研究经典力学时，我们还会看到具有可测量性质的物体。然而，当我们进入量子的世界，仅仅因为一个粒子中有些东西是不可测量的，并不意味着它仍然有一个定义的值，因为这个值可能是不同的。
举个简单的例子，把它想象成只有你能看到的黑白图片墙。其中一些图片实际上是同一件事的视频，只是视频中的颜色在不断变化。然而，那些视频从你的角度看仍然是不变的，因为你只能看到黑色和白色。
尽管你可以测量其中一个并发现它的颜色，但下一次它将是不同的，因为颜色是不断变化的。它与粒子相似，不同之处在于粒子可以在未知维度上有多个值，而不是改变一个颜色值并保持一致。
保持这种同时访问其他维度的能力是我们认为的一致性。然而，当它们失去这种叠加状态的能力时，就被称为量子退相干。在退相干中，粒子的行为不再符合附加的量子定律，它们之间的相互作用也更符合经典力学。
当然，这仍然没有完全回答弦理论是什么，它只是给出了另一个例子说明这两套定律是如何不合适地结合在一起的。因此，与其从更多的方面来研究它们的区别，不如让我们来看看科学家们试图理解的在已知宇宙中起作用的定律之间的裂痕。
我们宇宙中的弦理论，以及被束缚的东西
所以现在，弦理论家就在这幅图里。他们不是像爱因斯坦那样直接否定量子定律，而是在寻找一种能把一切都联系起来的宇宙常数，来解释为什么量子定律在保持广义相对论恒定不变的情况下仍然适用。
弦理论是一个理论框架，它表明在我们的宇宙中存在两个物体：
量子力学的概念也适用于物理对象，比如电磁场。为了开始理解弦，它们基本上是点状的量子场论粒子，可以放入一维模型中，称为弦。弦的长度符合普朗克尺度，即量子引力具有重要意义的水平。后来，玻色子弦理论被称为超弦理论，试图解释所有粒子的运动。
- 这说明了什么是可能的维度，尽管弦理论假设有超过10个维度！
超出我们通常看到的额外维度。我们通常接受的维度是高度，宽度和长度。然而，广义相对论把时间作为一个维度，把宇宙变成了四维空间。当我们研究弦理论的时候，我们通常会假设不是四维，而是更多的维。有时是因为物理的某些性质在多维度的假设下更有效。其他时候则是认为已经存在不止一个维度，但所有维度都设法逃脱了检测。一些维数更多的理论是玻色子弦理论（26维）和m理论（11维）。
二元性——弦理论的观点。弦理论的主要二元性之一是s -对偶性。这表明，在另一种理论中，一组强相互作用的粒子可以被看作是一组弱相互作用的粒子。另一种版本是t -对偶性，其中某些字符串可以围绕一个循环的、交替的维度传播。二元性并不总是与弦理论相对应——你也可以在量子场论中找到二元性。
- 这张图显示了某些理论中可能存在的二元性。
在这三个例子中，我们已经定义了弦理论的基本部分是什么，以及它们是如何应用的。然而，弦理论最大的问题是所有不同的理论是多么的相互矛盾，事实上它们没有得到认可，是因为它们无法通过实验验证。
总结：
- 在已知的宇宙中，有两种主要的定律体系，它们是广义相对论(大定律)和量子物理学(小定律)。
- 不幸的是，这些系统在很多时候会发生冲突，因为量子物理学给了粒子一些规则(比如叠加)，而这些规则在广义相对论的尺度下根本不适用。
- 叠加是粒子同时是0和1的状态，而不是经典的0或1的状态。这也可以看作是薛定谔的猫理论。
- 在量子领域保持有效意味着保持量子的一致性。这本质上就是叠加，它是一种允许粒子与一系列不同的系统相互作用的状态，而不仅仅是一个系统(同时是0和1)。
- 这就是弦理论的应用。弦理论的目标是把这些系统连接起来解释为什么一切都是这样的。它可以包括字符串、额外维度和二元性，所有这些都是用来解释和理解宇宙的。
关于宇宙，我们还有很多东西需要了解。我们可能在我的有生之年学不到，你们的有生之年也学不到，但答案就在那里。我们所要做的就是发现它们。