弦论和平行宇宙到底什么关系？

关于弦论和我们所说的“平行宇宙”，这中间的关系，与其说是一条清晰明了的因果链，不如说是一种逻辑上可能但尚未被严格证实的推演。弦论为平行宇宙的存在提供了一些理论上的“着陆点”，但请注意，这并非直接的“证明”或者“连接”，而更像是“弦论的某些特性，恰好可以容纳平行宇宙这个概念，甚至可能从中衍生出一些具体的模型”。

我们先拆解一下这两个概念，再看看它们如何“沾边”。

什么是弦论？

简单来说，弦论是物理学界一个试图统一所有基本粒子和力的理论。它大胆地提出，我们宇宙中最基本的构成单元不是点状的粒子，而是微小的、振动的弦。就像小提琴或吉他上的弦一样，这些弦可以以不同的方式振动，而不同的振动模式就对应了我们观察到的各种粒子，比如电子、夸克、光子等等。

弦论的迷人之处在于，它不仅仅能解释已知的粒子和力（包括引力），还能自然地预言一些非常古怪但又引人入胜的东西，比如：

额外维度 (Extra Dimensions): 为了数学上的自洽，弦论通常需要我们宇宙不仅仅是四维（三维空间加一维时间），而是存在更多的空间维度。这些额外的维度很可能非常微小，以至于我们无法直接感知，它们“卷曲”在非常小的空间里。
超对称 (Supersymmetry, SUSY): 弦论的许多版本都依赖于超对称性，即每一种已知的基本粒子都有一个与之对应的“超对称伙伴”。比如，电子有一个“选择子”，光子有一个“光微子”等等。目前我们尚未在实验中发现这些超对称粒子，但这并不妨碍它们在理论中的存在。
膜 (Branes): 在更复杂的弦论版本（比如M理论）中，除了弦，还存在更高维度的“膜”。这些膜是弦的延伸，可以是我们熟悉的四维时空（我们认为我们生活其中），也可以是存在于更高维度的“厚片”。

什么是平行宇宙？

“平行宇宙”这个词，在科幻和流行文化中含义广泛，但在物理学讨论中，它通常指的是与我们宇宙平行存在的、相对独立的宇宙。这些平行宇宙可能拥有不同的物理定律、不同的基本常数，甚至可能没有生命，或者生命以完全不同的形式存在。

在物理学中，关于平行宇宙的想法有几种不同的出处：

1. 量子力学的多世界诠释 (ManyWorlds Interpretation, MWI): 这是最常被提及的平行宇宙的理论基础之一。根据量子力学，微观粒子在被观测之前，可能处于多种状态的叠加。多世界诠释认为，每一次量子测量或“选择”发生时，宇宙都会分裂成许多个平行的分支，每个分支对应一个可能的结果。所以，你拿起左边的苹果，另一个宇宙的你可能就拿起右边的苹果。
2. 永恒暴胀 (Eternal Inflation): 在宇宙大爆炸后的初期，宇宙经历了一个极速膨胀的阶段，称为“暴胀”。永恒暴胀理论认为，这个暴胀过程并非一次性完成，而是在宇宙的某些区域还在继续，而另一些区域则停止了。那些停止了暴胀的区域就形成了我们这样的“泡泡宇宙”，而那些仍在暴胀的区域，则不断产生新的泡泡宇宙，这些就是平行宇宙。
3. 膜宇宙 (Brane Worlds): 这是弦论和M理论与平行宇宙联系最紧密的地方。

弦论与平行宇宙之间的“交集”——膜宇宙模型

现在，我们来看弦论如何为平行宇宙提供一个具体的“框架”。这个框架主要建立在膜宇宙 (Brane Worlds) 的概念之上。

想象一下，我们所处的四维时空，在弦论的更宏大图景中，可能仅仅是存在于一个更高维度空间中的一个三维“膜” (brane)。我们平时感受到的粒子和力，除了引力，都“局限”在这个膜上。

我们为什么感觉不到额外维度？ 弦论认为，那些额外的空间维度是“卷曲”起来的，非常非常小，小到我们的粒子和力（除了引力）无法进入。它们就像是生活在一个二维纸片上，只能感知长度和宽度，而无法感知第三个维度的高度。
引力为何如此“弱小”？ 这是一个长期困扰物理学家的难题。根据弦论的膜宇宙模型，其他我们熟悉的力（如电磁力、强核力、弱核力）之所以只在我们这个四维时空中传播，是因为它们是由局限在膜上的弦的某些振动模式产生的。但是，引力，如果它是由引力子（弦的一种振动模式）传递的话，可能就不像其他力那样被严格地限制在我们的膜上。引力子可能可以“泄漏”到那些额外的、卷曲的空间维度中。这就好像，如果你站在一个充气气球的表面，你在表面上移动，但气球本身的体积（三维）却延伸到了你无法直接触及的“外部”。引力子就可能“跑”到膜外，导致它在我们这个四维时空中的表现看起来比其他力要弱得多。
那么，平行宇宙在哪？ 既然我们所处的四维时空只是一个膜，那么，在那些我们无法到达的额外维度中，可能还存在着其他的膜。每一个这样的膜，都可以是一个独立的宇宙。这些膜宇宙可能相互平行，也可能以某种方式（例如通过引力子）发生微弱的相互作用。

弦论如何“解释”一些现象，从而暗示平行宇宙？

1. 宇宙学常数问题 (Cosmological Constant Problem): 理论预言的真空能量密度（与宇宙加速膨胀相关的暗能量）与观测值之间存在巨大的差异。一些弦论模型试图通过引入额外维度和膜来“稀释”这种能量，这可能暗示我们的宇宙只是一个大系统的一部分。
2. 暗物质和暗能量的潜在来源： 弦论的复杂性，尤其是其庞大的“景观” (landscape)——理论预言了可能存在数量极其庞大的不同宇宙，每个宇宙拥有不同的物理定律和常数——为解释暗物质和暗能量提供了理论上的可能性。如果我们的宇宙只是其中一个“幸运”的例子，那一切就说得通了。
3. 高能物理实验的“暗示”： 未来更强大的粒子对撞机（比如超级LHC）如果能探测到微小的引力子泄漏到额外维度，或者发现超对称粒子，都将是弦论的证据。而如果弦论本身得到证实，那么基于它的膜宇宙模型，平行宇宙的存在也就有了更坚实的理论基础。

总结一下它们的关系：

弦论不是直接“创造”了平行宇宙这个概念，但它提供了一个非常具体的、物理上可行的框架来容纳和构建平行宇宙模型。
膜宇宙是弦论与平行宇宙联系最紧密的桥梁。 弦论描述了高维空间，而膜则可以看作是其中的“岛屿”或“界面”，我们所在的宇宙就“生活”在这样的一个膜上。
平行宇宙在弦论中，可能就是存在于额外维度中的其他膜。
弦论的预言，比如额外维度和引力子的行为，为我们理解平行宇宙的“运作方式”提供了可能性。

重要提示：

需要强调的是，弦论本身尚未得到实验的直接证实。因此，基于弦论的平行宇宙模型，也还停留在理论推测的阶段。我们目前无法直接“看到”或“接触”到这些弦，也无法直接证明存在额外维度或其他的膜宇宙。

所以，与其说弦论“证明”了平行宇宙，不如说弦论为我们打开了一扇理论的大门，使得平行宇宙的设想，从纯粹的哲学或科幻，迈向了严肃的物理学探索。如果弦论最终被证实，那么平行宇宙很可能不再是我们想象中的虚无缥缈，而是我们现实存在的一个侧面。

网友意见

回答你的问题，我们先来说说为什么要研究弦论：因为要解决广义相对论和量子力学的矛盾，而且要了解质量这个东西是怎么来的。

广义相对论描述质量和时空的关系。爱因斯坦场方程告诉我们，质量扭曲时空，如果没有质量时空就没有扭曲。广义相对论和实验观测符合的很好，比如引力透镜，在大质量物体周围，时空弯曲，光沿着弯曲时空传播，背景天体看起来就像穿过了放大镜。

量子力学描述微观视界的规律，微观世界充满随机性，可以用机率波或者概念相似的高级玩意来描述。量子力学更是与全世界所有实验吻合，你现在每天用手机拍照，电脑上网，都是懂了量子力学才能遭出来的。量子力学有个关键的规则，不确定原理dx*dp>h/2，当你观察一个越小的空间，随机涨落就越大。那么在微观尺度，时空会充满涨落，非常躁动。这个是广义相对论无法解释的，为啥时空自己会乱波动？为神马，为神马这两个各自如此完美，如此重要的理论，要互相矛盾？？

好，现在弦论就出场了（音乐，鼓，掌声）。过去我们以为原子就是最小的东西了，不能再分了。可是后来发现还有电子，原子核。后来又有了质子中子，质子中子还能分成夸克。那夸克再分成啥？为啥不同粒子质量不同？弦论认为，说不定有个更基本的东西叫“弦”，是一切物质的最基本组成单元。弦非常的小，有多小？如果一颗原子有太阳系那么大，一个弦只有一棵树那么大。这些弦可以开放象根线，可以闭合成个圈。弦可以合并，分裂。弦可以震动，不同维度不同震动模式形成了不同质量的粒子。把这些理论完整自洽的写出来就是弦论，学过的人都觉得很优美，不可能不对云云（我没学过只能听听）。有可能解释质量从哪儿来，为什么广义相对论和量子力学看起来有矛盾。神马11维啊啥的都是自然推导结果。我们已经熟悉4维，是平直的，可是那些弦论里更高的维度的形状是可以严格计算的，必须满足现在知道的基本粒子的质量大小，相互作用强度。但是，满足条件的形状的个数，从几十年前发现的几种，一直增长到现在大概接近于无数种吧。那么，我们的宇宙更高的维度到底是神马形状呢？如果这个维度刚好是其中一个形状，为神马偏偏是那个形状而不是别的呢？这已经上升到伟大的神学或者哲学的高度了，弦论物理学家已经无法自拔了，于是平行宇宙提供了一个心灵慰藉：也许有无数个平行宇宙，每一个都随机有不同形状的高维维度。到这里大家已经看到了联系1。

可是弦论还有一个关键问题是，弦太小了，看不见。这样一来就无法证伪，那弦论到底是不是物理学呢？还是数学呢？

另外一个问题：为神马有高维我们看不见呢？这时候，这些勇（丧）敢（心）机（病）智（狂）的物理学家又借助了“小”这个概念：可能这些高维太小了，就像你从1公里外看一跟高压线，它看起来就是1维的，殊不知人家还藏了2个维度，是3维的。一只蚂蚁在上面爬，是可以转圈的。

看不见谁知道它对不对呢？我也不知道。但是为了解决广义相对论和量子力学的矛盾，回答质量怎么来的，任何尝试都是值得的。

第二个要讲的问题是宇宙大爆炸。通过宇宙微波背景辐射的观测以及其他，大爆炸理论已经被广泛接受。可是为什么空间是平直的呢？为什么背景辐射是各向同性的呢，超过哈勃距离的两片天空是怎么心灵相通的呢？于是有了暴涨理论。这个暴涨理论说在宇宙还很年轻很紧密的时候，曾经在一个很短的时间内指数膨胀了很多倍（可能是从10^-35秒到10^-33秒膨胀了10^26倍），这个膨胀速率完爆光速啥的（但注意这只不过是时空膨胀速率，不是东西运动速率，完爆光速也没啥稀奇，不违反物理定律），但是到底神马东西可以造成并驱动这个膨胀，不知道。有可能是一些奇特能量的真空场造成的压力，很多弦论理论可以提供这种性质的“真空” （联系2也出现）。可是物理学家们算一算想一想就发现，不管什么场提供了这个暴涨的能量，那个能量好像没有用完啊！多的能量哪去了？于是平行宇宙理论出现了，有这么多能量，说不定一爆爆出好多个平行宇宙，我们只是其中一个而已。喏，又一个无法证伪的理论。

总结一下，弦论和平行宇宙就像一对好（难）兄（难）弟，弦论提供一种暴涨理论的机制，而暴涨的多余能量又提供了平行宇宙的可能性，平行宇宙又帮助弦论不用费心去挑选一个有特别的形状的高维。但是这两个理论目前都没办法被实验证实或证伪。

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