20世紀(jì)上半葉物理學(xué)發(fā)生了兩次重要科學(xué)革命:相對(duì)論和量子力學(xué),。20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)的弦理論經(jīng)歷“超弦理論”和“M-理論”的兩次科學(xué)革命后,由最初少數(shù)人知曉的弦理論而發(fā)展成為今天廣泛關(guān)注的理論,并被譽(yù)為20世紀(jì)末的第三次物理學(xué)革命,。它將從根本上解決量子場(chǎng)論中的無(wú)窮大,、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的夸克禁閉和任意參數(shù)過(guò)多等一系列問(wèn)題,從而有可能完成愛(ài)因斯坦花費(fèi)三十多年心血而未能實(shí)現(xiàn)的物理學(xué)的大統(tǒng)一理論,。

弦理論起源于20世紀(jì)60年代物理學(xué)上的粒子物理時(shí)期,當(dāng)時(shí)關(guān)于強(qiáng)相互作用的一系列實(shí)驗(yàn)表明存在許許多多的強(qiáng)子,隨著能量的增大,它們的質(zhì)量與自旋度越來(lái)越大,越來(lái)越高。這些粒子絕大多數(shù)處于不穩(wěn)定狀態(tài),這種狀態(tài)叫作共振態(tài),。當(dāng)大量的粒子參與強(qiáng)相互作用時(shí),共振態(tài)粒子與粒子散射振幅滿(mǎn)足一種奇特的性質(zhì),叫作對(duì)偶性,。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都在尋找描述強(qiáng)相互作用粒子相互作用的數(shù)學(xué)函數(shù)。1968年,一個(gè)在麻省理工學(xué)院工作的意大利物理學(xué)家威尼采亞諾十分偶然地翻了翻數(shù)學(xué)手冊(cè),發(fā)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)———?dú)W拉貝函數(shù),它滿(mǎn)足這種對(duì)偶性,這就是弦理論中著名的威尼采亞諾公式,它是18世紀(jì)數(shù)學(xué)家歐拉建立的數(shù)學(xué)函數(shù),。但當(dāng)時(shí)還沒(méi)有粒子物理實(shí)驗(yàn)完全滿(mǎn)足這個(gè)公式,然而很快人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)簡(jiǎn)單的公式可以自然地解釋為弦與弦的散射振幅,因而物理學(xué)家把這個(gè)公式用于描述粒子與粒子散射振幅的理論稱(chēng)之為弦理論,。該理論的建立與以往物理理論的建立是完全不同的,一個(gè)物理理論形成的經(jīng)典過(guò)程是從實(shí)驗(yàn)到理論,。

20世紀(jì)的物理學(xué)是建構(gòu)在其上半葉完成的兩根支柱上的:一根是狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論,另一根是量子力學(xué),。經(jīng)過(guò)人們的努力,量子力學(xué)與狹義相對(duì)論成功地結(jié)合成量子場(chǎng)論,這是迄今為止最為成功的理論,。量子場(chǎng)論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用,理解一般物理系統(tǒng)要么利用量子場(chǎng)論,要么求助于廣義相對(duì)論,不會(huì)交叉動(dòng)用這兩個(gè)不同的理論體系。但是,的確存在一些極端物理情景既涉及巨質(zhì)量(需要廣義相對(duì)論)又牽連極小距離尺度(需要量子場(chǎng)論),典型的例子就是所謂的時(shí)空奇異問(wèn)題,包括黑洞的中心點(diǎn),、大爆炸前的宇宙狀態(tài)等,。這類(lèi)體系的正確理解必須建立在一個(gè)廣義相對(duì)論與量子場(chǎng)論相互協(xié)調(diào)的框架,換句話(huà)說(shuō)就是需要量子引力理論。于是,有人試圖把量子力學(xué)應(yīng)用到引力場(chǎng)中去,來(lái)建構(gòu)量子引力場(chǎng)論,。

在量子場(chǎng)論中緊化圈問(wèn)題可以通過(guò)一種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)程序———重正化的方法解決,從而得到有意義的答案。不幸的是這個(gè)方法不適用于量子引力場(chǎng)論,在量子引力場(chǎng)論中,緊化非常困難,緊化通常會(huì)在物理計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生無(wú)限多的無(wú)意義答案,。

解決這個(gè)危機(jī),構(gòu)造新的理論的方案主要有五種:

(1) 協(xié)變微擾方案;

(2) 歐幾里德化量子場(chǎng)論方案;

(3) 正則量子化方案;

(4) 超弦理論(即弦理論);

(5) 離散量子化方案,。

在這些方案中除了超弦理論很有前途外,其它四種都很難取得進(jìn)展，從而弦理論可能是統(tǒng)一所有相互作用的理論,。

1984-1985年,弦理論發(fā)生第一次革命,其核心是發(fā)現(xiàn)“反常自由”的統(tǒng)一理論,超弦理論是唯一自恰的量子引力理論,人們認(rèn)識(shí)到超弦理論可以給出一個(gè)包容標(biāo)準(zhǔn)模型的統(tǒng)一理論之后,一大批才華橫溢的年輕人自然地投身到超弦理論革命的洪流中去了。超弦第一次革命差不多在一年時(shí)間里就已完成,其影響卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一年,此后若干年所圍繞發(fā)展的幾個(gè)問(wèn)題和重要概念都在這一年之間已被提出,。

1994年在美國(guó)南加州大學(xué)的超弦年會(huì)上,美國(guó)年輕的物理學(xué)家威頓系統(tǒng)地報(bào)告了弦論中關(guān)于各種對(duì)偶性的工作成果,接著塞伯格報(bào)告了關(guān)于不同超對(duì)稱(chēng)規(guī)范理論之間的對(duì)偶性,史瓦茲報(bào)告了與森的合作的新工作。他們的報(bào)告震動(dòng)了理論物理學(xué)界和數(shù)學(xué)界,弦理論的第二次革命就這樣爆發(fā)了,威頓和英國(guó)人胡耳和湯生用各種不同維數(shù)的膜來(lái)研究對(duì)偶性,革命性指出10維的超弦在強(qiáng)耦合極限下成為一種11維的理論,10維中的弦無(wú)非是其中1維繞在第11維上的膜,史瓦茲根據(jù)威頓的建議將這個(gè)11維理論叫作M-理論,。M理論對(duì)5種超弦理論和十一維超引力理論的統(tǒng)一無(wú)疑又是一次成功的革命,，但同時(shí)也向人們提出了更大的挑戰(zhàn)。

我們?nèi)詻](méi)有完全解決強(qiáng)相互作用的問(wèn)題,也沒(méi)有解決四種相互作用力的統(tǒng)一問(wèn)題,因此對(duì)M理論和超弦理論的研究仍是一個(gè)長(zhǎng)期和非常困難的問(wèn)題,。正如威頓所說(shuō):“我們尚需要幾次規(guī)模更大的類(lèi)似目前這樣的革命。如果在未來(lái)10年內(nèi)能夠處理一場(chǎng)范圍更大的弦理論革命,我相信我們將會(huì)做得更圓滿(mǎn)!”