物理学家们证明，弦理论是从关于宇宙的基本假设中独特推导出来的。

这幅艺术作品阐释了弦理论如何从几个关于粒子碰撞的简单数学假设中推导出来。图片来源Clifford Cheung 的人工智能生成作品来源https://phys.org/news/2026-05-theory-uniquely-derived-basic-assumptions.html如果你把一个苹果掰成越来越小的碎片你会发现分子然后是原子接着是亚原子粒子比如质子以及构成质子的夸克和胶子。你可能以为已经到达了极限但根据弦理论学家的说法如果你继续深入到更小的尺度——比质子小十亿亿倍——你还会发现更多微小的振动弦。弦理论发展于20世纪60年代它提出宇宙万物都由不可见的弦构成。该理论的出现是为了解决“量子引力”问题即如何调和描述我们世界最小尺度的量子力学与解释我们宇宙在最大尺度上如何运行包括引力的广义相对论。研究人员试图调和这两种理论——例如探究引力在量子领域中的行为——但他们的方程却变得难以捉摸或者用数学术语来说趋向无穷大。弦理论是一种能够驾驭无穷无尽的数学解决方案。它认为所有粒子包括引力子——这种假想粒子被认为传递着引力——都是由极细的振动弦产生的。弦理论背后的数学原理要求弦至少在十个维度上振动而不是我们所处的四维空间三维空间和一维时间这也是一些科学家不相信弦理论正确性的原因之一。但或许该理论面临的最大挑战是检验它所需的超高能量这样的实验需要一个星系大小的粒子对撞机。物理学家该怎么办一种探索理论的方法是采用“自举法”即研究人员先做出一些他们认为关于宇宙的正确假设然后观察这些假设会推导出哪些定律。在一篇题为《从几乎无到有的弦》Strings from Almost Nothing的新论文中加州理工学院的研究人员及其纽约大学和巴塞罗那高能物理研究所的同事们正是这样做的。该论文已被《物理评论快报》Physical Review Letters接收发表。他们从关于粒子在高能下如何相互散射的几个基本假设出发推导出了弦理论的基本要素。“弦的概念就这么自然而然地出现了”加州理工学院理论物理学教授、莱因韦伯理论物理论坛主任克利福德·张说道。“我们一开始根本没有对弦做任何假设但最终得到的解却包含了弦的基本特征。”张教授表示虽然这项工作并不能为弦理论提供实验证据但它“从理论角度来看非常具有启发性因为一般的假设可能会产生无限多个解但实际上只产生了一个解”。加州理工学院弗雷德·卡弗里理论物理与数学教授、物理、数学与天文系肯特和乔伊斯·克雷萨领导主席大栗弘Hirosi Ooguri解释说这种自举法有助于物理学家们聚焦弦理论的关键特征。大栗弘本人也是一位弦理论学家但并非该论文的作者。“它还能帮助研究人员提出替代理论。如果弦理论不成立而我们想寻找另一个模型那么我们需要去掉哪些基本假设呢”大栗弘说道。和谐的粒子弦的一项关键特征是弦谱它从该团队的分析中“剔除”出来。弦谱由欧洲核子研究中心CERN的意大利理论物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺于20世纪60年代末发现它是由粒子构成的无限塔或阶梯其中粒子的质量和自旋以离散的步长递增。张说“在韦内齐亚诺的时代粒子对撞机在碰撞过程中会喷出大量质量各异的粒子。这令人着迷但当时没有人知道发生了什么。韦内齐亚诺写下了一个函数来描述所有这些粒子的质量揭示了一个无限延伸的粒子塔。”超过10 万订阅用户信赖 Phys.org获取每日 科学、技术和太空领域的最新资讯。订阅我们的免费新闻简报即可每日或每周收到有关突破性进展、创新和重要研究的最新动态。订阅其他研究人员后来意识到韦内齐亚诺的粒子塔对应于振动弦的谐波序列。如果你拨动一根小提琴弦你会听到一系列音符这些音符代表基音和遵循类似模式的泛音。弦理论诞生了但直到 1974 年加州理工学院的哈罗德·布朗理论物理学荣誉教授约翰·施瓦茨和他的同事、法国物理学家乔尔·舍克才意识到该理论包含了引力从而建立了弦理论和广义相对论之间的第一个联系。“和那个时代的所有粒子物理学家一样我们之前对引力并不感兴趣。弦理论在高能情况下表现良好这与爱因斯坦的广义相对论不同后者只能作为低能近似成立。因此尽管当时很多东西还不甚明了但我们非常兴奋因为某种形式的弦理论或许能够提供一个统一的量子理论来解释一切”施瓦茨说道。在弦理论中微小弦的不同振动模式会产生不同的粒子。例如光子是由开口弦在其基频振动模式中产生的而引力子则被认为是由闭合弦的基频振动模式产生的。从底层做起在这项新研究中研究人员考察了一种叫做散射振幅的量它描述了粒子碰撞可能结果的概率。当研究人员利用广义相对论的工具在越来越高的能量下计算散射振幅时就会出现难以捉摸的无穷大。用数学术语来说这意味着结果不合理肯定是不正确的。张说“如果你把广义相对论应用到所谓的普朗克尺度大约比质子的质量大19个数量级的极高能量下你会得到一个毫无道理的结果。一切都彻底崩溃了。”这正是弦理论的优势所在。它通过多种方式避免了数学推导趋于无穷大其中一种方式被称为超软性即弦在极高能量下会软化或模糊相互作用从而使其在数学上更易于处理。张教授说“在弦理论框架下随着粒子间能量转移的增加粒子散射的概率会迅速下降。这就像粒子根本不想相互散射而是自由穿过一样。散射振幅不会趋于无穷大它的行为更加合理。”研究人员将粒子行为的这种超软特性作为他们的初始假设之一。他们没有对弦做任何假设但假定粒子在高能下散射概率较低——这对于控制量子引力理论中不必要的无穷大至关重要。此外他们还对粒子行为提出了另一个更为复杂的假设称为“最小零点”。张教授解释说“值得注意的是一致性要求散射振幅不仅在被称为‘零点’的特殊运动学点处相互作用而且在零点处也不相互作用。‘最小零点’假设要求此类消失点的数量在数学上尽可能少以符合方程的逻辑。”研究人员从描述这两个假设的数学表达式出发严格证明只有满足这些假设的数学函数才能构成弦理论的标志性特征。这些标志性特征包括弦理论定义的完整粒子质量和自旋谱以及它们之间详细的相互作用强度。“弦理论的精确细节是自动产生的包括构成弦的‘谐波’的无限大旋转粒子塔这也是该理论闻名遐迩的原因”共同作者、纽约大学詹姆斯·阿瑟博士后研究员格兰特·N·雷门2017 年博士毕业说道。研究人员的自举方法有点像数独谜题你从一些关于如何在网格中放置数字的规则开始然后从这些基本规则出发寻找谜题的唯一解决方案。张解释说“极具讽刺意味的是我们现在用现代工具和现代理念所追求的这种自力更生式的方法实际上却非常复古。这是一种古老的理念。最初发现威尼斯光谱以及约翰·施瓦茨的工作都采用了类似的方法。他们并非从弦理论模型入手而是从基本原理出发找到了解决方案。”张教授还指出加州理工学院的史蒂文·弗劳奇是自举法的先驱。弗劳奇是加州理工学院的理论物理学荣誉退休教授他和他的同事、已故的杰弗里·丘曾任加州大学伯克利分校教授在20世纪60年代率先在粒子物理学领域发展了自举理论丘的命名源于“自力更生”的谚语。弗劳奇和丘发现了后来由韦内齐亚诺发现的无限粒子塔的早期证据。“自举法的思想一度过时但现在像克里夫这样的人正在复兴并使其现代化”大栗说。“我们现在对可以做出的基本假设有了更深入的理解也拥有了更强的技术可以将这些假设转化为散射振幅和其他可观测量的性质。”阅读最新前沿科技趋势报告请访问21世纪关键技术研究院的“未来知识库”未来知识库是“21世纪关键技术研究院”建立的在线知识库平台收藏的资料范围包括人工智能、脑科学、互联网、超级智能数智大脑、能源、军事、经济、人类风险等等领域的前沿进展与未来趋势。目前拥有超过8000篇重要资料。每周更新不少于100篇世界范围最新研究资料。欢迎扫描二维码或访问https://wx.zsxq.com/group/454854145828进入。截止到2月28日 ”未来知识库”精选的百部前沿科技趋势报告加入未来知识库全部资料免费阅读和下载牛津未来研究院 《将人工智能安全视为全球公共产品的影响、挑战与研究重点》麦肯锡超级智能机构赋能人们释放人工智能的全部潜力AAAI 2025 关于人工智能研究未来研究报告斯坦福2025 斯坦福新兴技术评论十项关键技术及其政策影响分析报告191 页壳牌2025 能源安全远景报告能源与人工智能57 页盖洛普 牛津幸福研究中心2025 年世界幸福报告260 页Schwab 2025 未来共生以集体社会创新破解重大社会挑战研究报告36 页IMD2024 年全球数字竞争力排名报告跨越数字鸿沟人才培养与数字法治是关键214 页DS 系列专题DeepSeek 技术溯源及前沿探索50 页 ppt联合国人居署2024 全球城市负责任人工智能评估报告利用 AI 构建以人为本的智慧城市86 页TechUK2025 全球复杂多变背景下的英国科技产业战略韧性与增长路径研究报告52 页NAVEX Global2024 年十大风险与合规趋势报告42 页《具身物理交互在机器人 - 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