解釋宇宙的理論：什么是“弦論”？

What is the true nature of the universe?

宇宙的本質(zhì)是什么？

To answer this question, humans come up with stories to describe the world.

為了回答這個問題，人們想了各種模型來描述這個世界。

We test our stories and learn what to keep and what to throw away.

我們測試這些模型，并知道了到哪些該保存下來，哪些該舍棄。

But the more we learn, the more complicated and weird our stories become.

但當(dāng)我們知道了更多，模型就變得更加奇怪且復(fù)雜。

Some of them so much so, that it's really hard to know what they're actually about.

有些甚至困難到，相當(dāng)難以精確說明它。

Like string theory.

就像弦理論。

A famous, controversial and often misunderstood story, about the nature of everything.

一個著名的，充滿爭議的，并且常被誤解的理論。

Why did we come up with it and is it correct?

為何會有人想出這套理論，而它的描述是正確的嗎？

Or just an idea we should chuck out?

或只是一個不值得重視的想法？

To understand the true nature of reality, we looked at things up close and were amazed.

為了知道自然的樣貌，我們近距離觀察各種事物，并且驚奇于其中深藏的奧妙。

Wonderous landscapes in the dust, zoos of bizarre creatures, complex protein robots.

微小世界的奇妙景觀，一群群奇妙的生物，復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)械。

All of them made from structures of molecules made up of countless even smaller things: Atoms.

他們?nèi)煞肿铀鶚?gòu)成，并且又由更小的原子所構(gòu)成。

We thought they were the final layer of reality, until we smashed them together really hard and discovered things that can't be divided anymore: Elementary particles.

我們曾經(jīng)認(rèn)為它們就是世界的基本單元，直到我們將它們強(qiáng)力相撞，并發(fā)現(xiàn)了完全不可再切割的物質(zhì)：基本粒子。

But now, we had a problem: They are so small that we could no longer look at them.

但現(xiàn)在有個問題：基本粒子太小，我們不能直接觀測到它。

Think about it: what is seeing?

試想一下，什么是觀測呢？

To see something, we need light, an electromagnetic wave.

想要做觀測，我們需要光，也就是電磁波。

This wave hits the surface of the thing and gets reflected back from it into your eye.

這道波撞擊物體的表面，并反射至你的眼睛里。

The wave carries information from the object that your brain uses to create an image.

光波攜帶著物體的信息，讓你的大腦能建構(gòu)影像。

So you can't see something without somehow interacting with it.

所以你不能在沒有某種交互作用的情況下做觀測。

Seeing is touching, an active process, not a passive one.

看到，便能有所了解，這是一個主動而非被動的過程。

This is not a problem with most things.

對大多數(shù)的物體來說這都不是問題。

But particles are But particles are very, But particles are very, very, But particles are very, very, very small.

但基本粒子非常非常非常的小。

So small that the electromagnetic waves we used to see are too big to touch them.

它小到我們過去所能看到的電磁波根本碰不到。

Visible light just passes over them.

可見光只會穿過它們。

We can try to solve this by creating electromagnetic waves with more and much smaller wavelengths.

我們可以藉由縮小電磁波波長來解決問題。

But more wavelengths, means more energy.

但波長越小，意味著能量越大。

So, when we touch a particle with a wave that has a lot of energy it alters it.

所以，當(dāng)我們用一道高能量的光去照射粒子，光會改變粒子的位置。

By looking at a particle, we change it.

為了觀測它，我們改變了它的性質(zhì)。

So, we can't measure elementary particles precisely.

結(jié)論是，我們無法精確地量測基本粒子。

This fact is so important that it has a name: The Heisenberg uncertainty principle.

這現(xiàn)象重要到被命名為：海森堡測不準(zhǔn)原理。

The basis of all quantum physics.

一切量子物理學(xué)的基礎(chǔ)。

So, what does a particle look like then?

所以，粒子看起來是什么樣子？

What is its nature?

它的本質(zhì)是怎樣？

We don't know.

我們其實(shí)并不知道。

If we look really hard, we can see a blurry sphere of influence, but not the particles themselves.

如果我們盡可能去觀測它，我們可以看到一團(tuán)模糊的物體，但這不是粒子本身。

We just know they exist.

我們只知道它們存在。

But if that's the case, how can we do any science with them?

這種情況下，我們要對它們怎么做科學(xué)研究呢？

We did what humans do and invented a new story: A mathematical fiction.

就像前人一樣，我們提出了新的數(shù)學(xué)模型。

The story of the point particle.

點(diǎn)粒子模型。

We decided that we would pretend that a particle is a point in space.

我們決定假設(shè)，粒子在空間中只是一個點(diǎn)。

Any electron is a point with a certain electric charge and a certain mass.

任何電子都只是空間中有特定電荷量和特定質(zhì)量的點(diǎn)。

All indistinguishable from each other.

而且所有電子都無法被區(qū)分。

This way physicists could define them and calculate all of their interactions.

這樣物理學(xué)家便可定義它們，并計算它們之間的交互作用。

This is called Quantum Field Theory, and solved a lot of problems.

這套理論叫【量子場論】，并且解決了許多問題。

All of the standard model of particle physics is built on it and it predicts lots of things very well.

粒子物理中的標(biāo)準(zhǔn)模型都是建立在這上面的，而粒子物理實(shí)驗的精確值也相當(dāng)高。

Some quantum properties of the electron for example have been tested and are accurate up to 0,0,00 0,0000 0,000000 0,00000000 0,0000000000 0,000000000000 0,0000000000002 %.

有些電子的量子性質(zhì)被量測出來了，而精確值可以到0.0000000000002% (2*10^-13%)。

So, while particles are not really points, by treating them as if they were, we get a pretty good picture of the universe.

所以，就算粒子并不真的是個點(diǎn)，這樣的假設(shè)讓我們可以相當(dāng)精確地去描繪宇宙，

Not only did this idea advance science, it also led to a lot of real-world technology we use everyday.

這樣的想法不僅讓科學(xué)進(jìn)步，它也帶給我們許多每天都在用的科技成就。

But there's a huge problem: Gravity.

但有一個重大的問題：重力。

In quantum mechanics, all physical forces are carried by certain particles.

在量子力學(xué)里，所有的力都由特定的粒子產(chǎn)生。

But according to Einstein's general relativity, gravity is not a force like the others in the universe.

但根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，重力并不像宇宙中其他作用力一樣。

If the universe is a play, particles are the actors, but gravity is the stage.

如果宇宙是場戲劇，粒子就是演員，而重力則是舞臺。

To put it simply, gravity is a theory of geometry.

簡單來說，重力是種幾何學(xué)。

The geometry of space-time itself.

時空間的幾何學(xué)。

Of distances, which we need to describe with absolute precision.

所以我們必須定義出絕對的距離。

But since there is no way to precisely measure things in the quantum world, our story of gravity doesn't work with our story of quantum physics.

但在量子物理的世界中，我們無法明確量測事物，重力模型與量子物理模型彼此并不兼容。

When physicists tried to add gravity to the story by inventing a new particle, their mathematics broke down and this is a big problem.

當(dāng)物理學(xué)家試圖增加新的粒子來描述重力時，他們的數(shù)學(xué)系統(tǒng)卻崩潰了。

If we could marry gravity to quantum physics and the standard model, we would have the theory of everything.

這是個相當(dāng)重要的問題，如果我們可以結(jié)合重力與標(biāo)準(zhǔn)模型，我們可以得到一切的萬有理論。

So, very smart people came up with a new story.

所以天才們開始想新的模型。

They asked: What is more complex than a point?

他們問到：比一個點(diǎn)更復(fù)雜的事物是什么？

A line- A line or a string.

一條線？ 或是一條弦？

String theory was born.

弦理論就這樣誕生了。

What makes string theory so elegant, is that it describes many different elementary particles as different modes of vibration of the string.

弦理論之所以會如此精美，是因為其用了各異的震蕩模式描述了基本粒子。

Just like a violin string vibrating differently can give you a lot of different notes, a string can give you different particles Most importantly, this includes gravity.

就像小提琴不同的琴弦震動，能夠發(fā)出各異的樂音，弦的各種震蕩模式就能產(chǎn)生不同的粒子，最重要的是弦理論也能描述重力。

String theory promised to unify all fundamental forces of the universe.

弦理論可以統(tǒng)合宇宙中所有的基本作用力。

This caused enormous excitement and hype.

這造成了群情激奮與大肆炒作。

String theory quickly graduated to a possible theory of everything.

弦理論很快的成為了可能解釋一切的理論。

Unfortunately, string theory comes with a lot of strings attached.

不幸的是，弦理論有許多特殊的限制。

Much of the maths involving a consistent string theory does not work in our universe with its three spatial and one temporal dimensions.

在我們這由三維空間與一維時間組成的宇宙中，弦理論不能保持?jǐn)?shù)學(xué)上的一致性。

String theory requires ten dimensions to work out.

弦理論需要以十維的世界來運(yùn)作。

So, string theorists did calculations in model universes.

所以，弦理論確實(shí)能在理論中的宇宙運(yùn)作。

And then try to get rid of the six additional dimensions and describe our own universe.

而物理學(xué)家想要找出去除剩余六維的數(shù)學(xué)模式來探究我們所處的宇宙。

But so far, nobody has succeeded and no prediction of string theory has been proven in an experiment.

但直到現(xiàn)在，沒有能人成功達(dá)成這個任務(wù)，并且弦理論中的預(yù)測全部都尚未被實(shí)驗證實(shí)。

So, string theory did not reveal the nature of our universe.

所以，弦理論并沒有真正透露出宇宙的真實(shí)樣貌。

One could argue that in this case string theory really isn't useful at all.

所以有人指出弦理論可能完全不實(shí)用。

Science is all about experiments and predictions.

科學(xué)是由一連串的實(shí)驗和預(yù)測所組成。

If we can't do those, why should we bother with strings?

如果我們無法證明，那么我們?yōu)楹我M(fèi)心于弦理論呢？

It really is all about how we use it.

它與我們?nèi)绾稳ナ褂盟⑾⑾嚓P(guān)。

Physics is based on maths.

物理是建立于數(shù)學(xué)規(guī)則。

Two plus two makes four.

2+2=4.

This is true no matter how you feel about it.

這就是事實(shí)，不論你有什么想法。

And the maths in string theory does work out.

而弦理論中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)是可行的。

That's why string theory is still useful.

這就是為什么弦理論仍然是非常實(shí)用的。

Imagine that you want to build a cruise ship, but you only have blueprints for a small rowing boat.

想象你打算造一艘巨大的郵輪，但你只有一張劃槳小船的藍(lán)圖。

There are plenty of differences: the engine, the engine, the materials, the engine, the materials, the scale.

它們顯然有諸多不同之處：引擎，材料，大小，

But both things are fundamentally the same: Things that float.

但他們的原理基本上是一樣的：會飄浮在水上的東西。

So, by studying the rowing boat blueprints, you might still learn something about how to build a cruise ship eventually.

所以，透過研究劃槳小船的藍(lán)圖，你最終可能還是可以學(xué)到怎么去造一艘游輪。

With string theory, we can try to answer some questions about quantum gravity that have been puzzling physicists for decades.

有了弦理論，我們可以試著去解釋一些困擾物理學(xué)家數(shù)十年的量子重力論的難題。

Such as how black holes work or the information paradox.

像是黑洞如何運(yùn)行或是它的訊息悖論。

String theory may point us in the right direction.

弦理論可能可以成為指引我們方向的一盞明燈。

When used in this spirit, string theory becomes a precious tool for theoretical physicists and help them discover new aspects of the quantum world and some beautiful mathematics.

有了這個想法，弦理論就變成了一個理論物理學(xué)家的珍貴工具，并且可以幫助他們?nèi)ヌ剿髁孔邮澜绲男聦用妫约耙恍┟利惖臄?shù)學(xué)理論。

So, maybe the story of string theory is not the theory of everything.

所以，雖然弦理論可能無法解釋一切事物。

But just like the story of the point particle, it may be an extremely useful story.

不過就如同點(diǎn)粒子模型一般，弦理論可以是一個非常實(shí)用的理論。

We don't yet know what the true nature of reality is, but we'll keep coming up with stories to try and find out.

我們還不知道現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)樣貌到底是如何，不過我們會繼續(xù)想出更多理論來試著探究。

Until one day, Until one day, hopefully Until one day, hopefully, we do know.

直到將來的某天，希望我們能真正了解其中的奧妙。