如果說誰想把事實(shí)藏起來，那也太戲劇了。不過，半個多世紀(jì)以來，物理學(xué)家心里明白，即使對歷史上某些最大的科學(xué)成就來說，在遠(yuǎn)方的地平線上也飄浮著烏云。問題在于，現(xiàn)代物理學(xué)所依賴的是兩大支柱。一個是愛因斯坦的相對論，它為我們從大尺度認(rèn)識宇宙（如恒星、星系、星系團(tuán)以及比它們更大的宇宙自身的膨脹）提供了理論框架；另一個是量子力學(xué)，我們用這個框架認(rèn)識了小尺度下的宇宙：分子、原子以及比原子更小的粒子，如電子和夸克。幾十年來，兩個理論的差不多所有預(yù)言都在實(shí)驗(yàn)上被物理學(xué)家以難以想象的精度證實(shí)了。但同樣的這兩個理論工具，卻無情地把我們引向一個痛苦的結(jié)論：從廣義相對論和量子力學(xué)今天的形式看，它們不可能都是正確的。在過去的百年里，我們獲得了巨大的進(jìn)步——解釋了宇宙的膨脹，也認(rèn)識了物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)——然而，作為這些進(jìn)步的基礎(chǔ)的兩個理論，卻是水火不相容的。

如果你以前沒有聽說過這一場火暴的對抗，你也許很想知道那是為什么。這個問題回答起來并不是很困難。除了某些最極端的情形，物理學(xué)家研究的東西，要么是小而輕的（如原子和它的組成部分），要么是大而重的（如恒星和星系），從來沒有兼具兩樣性質(zhì)的。也就是說，對某一樣事物，他們只需要量子力學(xué)或廣義相對論就夠了，至于另一家理論怎么大聲告誡，可以不屑一顧。50年來，這方法雖然并不令人高枕無憂，但卻是非常嚴(yán)密的。

宇宙就可能是極端情形。在黑洞的中央，大量物質(zhì)被擠壓到一個極小的空間里；在大爆炸的時刻，整個宇宙從比沙粒還小的微塵中爆發(fā)出來。這些就是“小而重”的領(lǐng)域，體積很小，而質(zhì)量大得嚇人，所以量子力學(xué)和廣義相對論應(yīng)該一起走進(jìn)來。以后我們會越來越明白，當(dāng)廣義相對論與量子力學(xué)的方程結(jié)合時，會像一輛破車，搖晃、顛簸、丁當(dāng)哐啷，噴出一路的廢氣。說白了，那就是，一個良好的物理學(xué)問題從兩家理論不幸的結(jié)合中得到了無聊的結(jié)果。即使喜歡讓黑洞的內(nèi)部和宇宙的開端繼續(xù)躲在神秘背后的人，也不禁會感覺到，量子力學(xué)和廣義相對論之間的水與火的對抗，只有在更深的層次上才會平息下來。話又說回來，宇宙在最基本的水平上就不能是分離的嗎？它也許當(dāng)真需要拿一組定律來寫大東西，而拿另一組不相容的定律去寫小的呢。

超弦理論響亮地告訴我們，不是那樣的。與令人仰止的量子力學(xué)和廣義相對論巨人相比，超弦理論不過是初生的牛犢。全世界物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家過去十年的研究發(fā)現(xiàn)，這種在最基本層次上描寫事物的方法，緩解了廣義相對論與量子力學(xué)間的緊張關(guān)系。實(shí)際上，超弦?guī)砹烁嗟臇|西：在這個新框架下，廣義相對論和量子力學(xué)的相互需要才使理論有意義。根據(jù)超弦理論，“大”定律與“小”定律的結(jié)合，不但是幸福的，也是注定了的。

這當(dāng)然是好事情。而超弦理論——簡單說，即弦理論——則將這結(jié)合大大往前推進(jìn)了一步。為了一個能把所有的自然力、所有的物質(zhì)編織成一幅錦繡圖畫的統(tǒng)一的物理學(xué)理論，愛因斯坦曾追尋了30年。他失敗了。今天，在新千年的黎明，弦理論的擁戴者們宣稱，那幅迷人的統(tǒng)一圖景終于出現(xiàn)了。弦理論有能力證明，發(fā)生在宇宙間的一切奇妙的事情——從亞原子世界里夸克瘋狂的舞蹈，到太空中飛旋雙星高雅的華爾茲；從大爆炸的原初火球，到星河的壯麗旋渦——都體現(xiàn)著一個偉大的物理學(xué)原理，一個偉大的數(shù)學(xué)方程。

弦理論的這些特征要求我們極大地改變對空間、時間和物質(zhì)的認(rèn)識，所以我們需要花一些時間來熟悉它，在一定水平上理解它。不過我們也會發(fā)現(xiàn)，從它本來的背景看，弦理論雖然來得突然，卻是過去百年物理學(xué)革命性發(fā)現(xiàn)的自然產(chǎn)物。實(shí)際上，我們將看到，像廣義相對論和量子力學(xué)那樣可怕的沖突不是第一次，而是我們在過去百年里遭遇的兩次大沖突的結(jié)果，那每一次沖突的解決，都使我們對宇宙的認(rèn)識發(fā)生了奇妙的改變。

第一次沖突早在19世紀(jì)末就出現(xiàn)了，與光運(yùn)動的奇特性質(zhì)有關(guān)。簡單地說，根據(jù)牛頓的運(yùn)動定律，誰如果跑得足夠快，就能趕上遠(yuǎn)去的光束；而根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)定律，誰也跑不過光。我們在第2章會討論，愛因斯坦通過他的狹義相對論解決了這個矛盾，并因此徹底推翻了我們對空間和時間的認(rèn)識。根據(jù)狹義相對論，空間與時間不再是牢固不變的普適概念，任何人都一樣去經(jīng)歷；相反，它們在愛因斯坦的新理論中是以靈活多變的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的，形式和表現(xiàn)依賴于運(yùn)動的狀態(tài)。

狹義相對論的發(fā)展很快引來了第二次沖突。愛因斯坦理論有個結(jié)論說，任何物體——實(shí)際上包括任何形式的影響和干擾——都不可能跑得比光還快。但是，正如我們在第3章要討論的，牛頓那成功經(jīng)歷了無數(shù)實(shí)驗(yàn)而且大家都感覺滿意的引力理論，卻牽涉到瞬時通過巨大空間距離的作用。這一次，又是愛因斯坦走上前來，憑他1915年廣義相對論的引力新概念，化解了這個矛盾。空間和時間不僅受運(yùn)動狀態(tài)的影響，在物質(zhì)和能量出現(xiàn)時，還會發(fā)生彎曲。我們將看到，空間和時間結(jié)構(gòu)的這種扭曲將引力作用從一個地方傳到另一個地方。于是，我們不能再把空間和時間看成宇宙萬物表現(xiàn)自我的死寂的帷幕；實(shí)際上，在狹義相對論和后來的廣義相對論中，它們本身也是那些事件的直接表演者。

歷史再次重演：廣義相對論的發(fā)現(xiàn)在解決一個沖突的同時，又帶來另一個。當(dāng)19世紀(jì)的物理學(xué)概念用在微觀世界的時候，出現(xiàn)了大量令人眼花繚亂的問題，因?yàn)檫@些，自1900年以來的30年里，物理學(xué)家們開創(chuàng)了量子力學(xué)（在第4章討論）。前面講過，那第三個（也是最深刻的一個）沖突，就源自量子力學(xué)與廣義相對論的水火不容。在第5章我們還將看到，源于廣義相對論的彎曲的空間幾何形式總是與量子力學(xué)蘊(yùn)含的狂亂的微觀宇宙的行為不相容的。到了20世紀(jì)80年代中期，弦理論帶來一種解決辦法，這個沖突才當(dāng)然地成為現(xiàn)代物理學(xué)的中心問題。而且，從狹義和廣義相對論成長起來的弦理論，自身也要求嚴(yán)格地修正我們關(guān)于時間和空間的概念。例如，我們大多數(shù)人都想當(dāng)然地認(rèn)為我們的宇宙有3個空間維，但在弦理論看來不是這樣的。它認(rèn)為，宇宙的維數(shù)比我們眼睛看到的更多——那些維都緊緊地卷縮在宇宙褶皺的結(jié)構(gòu)中。這個對空間和時間本性的了不起的發(fā)現(xiàn)太重要了，在下面，我們將一直用它來做向?qū)А恼嬲饬x說，弦理論講的就是自愛因斯坦以來的空間和時間。

為理解弦理論到底是什么，我們需要回到從前，簡單說說在過去的一個世紀(jì)里，我們關(guān)于宇宙的微觀結(jié)構(gòu)都學(xué)會了些什么。

古希臘人猜想，宇宙的物質(zhì)是由一些他們叫原子的“不可分割的”原料構(gòu)成的。他們想，大量的物質(zhì)都應(yīng)該是少量不同的基本材料組合的結(jié)果，就像在拼音文字里，數(shù)不盡的詞語都是由那么少的幾十個字母組合生成的。這真是先知的猜想。2000多年過去了，我們還認(rèn)為它是正確的，盡管那些最基本的物質(zhì)單元已經(jīng)歷了無數(shù)認(rèn)識的轉(zhuǎn)變。19世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多熟悉的物質(zhì)（如氧和碳）都有一種可以識別的最小組成單元，遵照古希臘人的傳統(tǒng)，他們稱它為原子。名字確定下來了，但歷史證明那是一個誤會，因?yàn)槟切┰赢?dāng)然是“可以分割的”。到20世紀(jì)30年代初，J·J·湯姆遜（J.J.Thomson）、盧瑟福（Ernest Rutherford）、玻爾（Niels Bobr）和查德威克（James Chadwick）的工作建立了我們熟悉的原子的太陽系模型。原子遠(yuǎn)不是什么最基本的物質(zhì)成分，它有一個包含著質(zhì)子和中子的核，核外還繞著一群旋轉(zhuǎn)的電子。

有一段時間，許多物理學(xué)家都認(rèn)為質(zhì)子、中子和電子就是希臘人的“原子”。但是在1968年，斯坦福直線加速器中心的實(shí)驗(yàn)家們利用強(qiáng)大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)的微觀層次，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子都不是基本的。反過來，他們證明了那兩個“原子”都由3個更小的粒子構(gòu)成，那些粒子叫夸克——一個古怪的名字，是理論物理學(xué)家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）從喬伊斯（James Joyce）的小說《芬尼根守夜者》里找來的，他早就猜想可能存在著那種粒子。實(shí)驗(yàn)家證明，夸克本身有兩種，它們的名字不那么有創(chuàng)意，一個叫上，一個叫下。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。

我們在天地間看到的一切事物似乎都是由電子、上夸克和下夸克的組合構(gòu)成的。沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)說明它們還由更小的東西構(gòu)成。但卻有大量證據(jù)表明，宇宙還存在著其他粒子成分。20世紀(jì)50年代中期，雷恩（Frederick Reines）和柯萬（Clyde Cowan）發(fā)現(xiàn)了第四種基本粒子的確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)，它叫中微子——它的存在，泡利（Wolfgang Pauli）早在20世紀(jì)30年代初就預(yù)言過了。后來發(fā)現(xiàn)，中微子很難找到，它們像幽靈一樣，很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，能穿透幾百億千米厚的鉛，而運(yùn)動幾乎不受影響。這樣你可能會感到輕松多了：因?yàn)樵谀阕x這句話時，太陽向太空噴發(fā)的幾十億個中微子正在穿過你的身體，然后穿過地球，繼續(xù)它們在宇宙間孤獨(dú)的旅行。20世紀(jì)30年代末，物理學(xué)家在研究宇宙線（從外太空向地球傾瀉的粒子流）時，又發(fā)現(xiàn)了一種叫μ子的基本粒子——除了比電子重200倍左右，它們是一樣的。μ子在宇宙間的存在，既不是什么事物要求的，也不是人們?yōu)榻鉀Q什么疑問提出的，更不是誰精心設(shè)計(jì)的。所以，獲得諾貝爾獎的粒子物理學(xué)家拉比（Isidor Isaac Rabi）對μ子的發(fā)現(xiàn)沒多大熱情，“誰讓它來的？”不管怎么說，它來了，而且還跟著來了好多新粒子。

物理學(xué)家們憑著前所未有的技術(shù)力量，不斷地用越來越大的能量將物質(zhì)擊碎，時刻重現(xiàn)大爆炸以來的那些誰也不曾見過的創(chuàng)生條件。他們從碎片里尋找新的元素，粒子清單越來越長?？纯此麄儼l(fā)現(xiàn)的東西：另外四種夸克——粲、奇、底和頂——還有一個更重的電子兄弟，τ；另外兩個性質(zhì)與中微子相同的粒子（叫μ-中微子和τ-中微子，以區(qū)別于原來的那個電子中微子）。這些粒子在高能碰撞中產(chǎn)生，不過是曇花一現(xiàn)；在我們通常遇到的任何事物里都沒有它們的影子。但是，故事還遠(yuǎn)沒結(jié)束。每一個這樣的粒子都有一個反粒子——質(zhì)量相同，而在其他某些方面相反（例如電荷；還有與其他力相應(yīng)的荷，我們在下面討論）。舉例說，電子的反粒子叫正電子——它的質(zhì)量跟電子相同，但電荷為+1（而電子的電荷為-1）。物質(zhì)和反物質(zhì)接觸時，會相互湮滅，生成純粹的能量——難怪在我們周圍的世界里自然出現(xiàn)的反物質(zhì)會那么少。

物理學(xué)家在這些粒子間分辨出一種模式，如表1.1。物質(zhì)粒子正好分成三組，通常被稱為族。每一族包括2個夸克和1個電子，或者電子的伙伴，以及1個相應(yīng)的中微子。三族中同一行相應(yīng)的粒子除了質(zhì)量依次增大而不同外，性質(zhì)是完全一樣的。結(jié)果，物理學(xué)家現(xiàn)在追溯到了百億億分之一米尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且證明了我們到目前為止所遇到的每一樣事物——不論是自然出現(xiàn)的，還是通過加速器人工產(chǎn)生的——都是由這三族粒子和它們的反物質(zhì)伙伴組合成的粒子構(gòu)成的。

表1.1　3族基本粒子及其質(zhì)量（以質(zhì)子質(zhì)量為單位）。中微子質(zhì)量至今還沒有在實(shí)驗(yàn)上確定。

從表1.1看，我們對μ子的發(fā)現(xiàn)無疑會比拉比更感迷惑。族的劃分至少從表面上顯出某種秩序，然而數(shù)不清的“為什么”也接踵而來。為什么有那么多基本粒子——特別是，我們周圍世界的大多數(shù)事物似乎只需要電子、上夸克和下夸克就夠了？為什么有三族？為什么不是一族、四族或者更多？為什么粒子質(zhì)量看起來是隨機(jī)分布的——例如，為什么τ子比電子重約3520倍？為什么頂夸克比上夸克重40200倍？這些數(shù)都很奇怪，似乎是隨機(jī)數(shù)。它們是偶然出現(xiàn)的，還是什么神靈選擇的？我們宇宙的這些基本特征能有一個綜合的科學(xué)解釋嗎？

當(dāng)我們考慮自然力的時候，問題就變得復(fù)雜多了。我們的世界充滿了施加影響的方式：球拍將球打出，蹦極愛好者從高高的平臺跳下，磁體讓列車懸浮在金屬軌道上飛奔，蓋革計(jì)數(shù)器響應(yīng)放射性物質(zhì)時發(fā)出“滴答”的聲音，原子彈爆炸……我們可以用力推、拉或者搖動物體；可以把一個物體打進(jìn)另一個物體；可以拉伸、扭轉(zhuǎn)或者粉碎一個物體；還可以令一個物體冷卻、加熱或者燃燒。在過去的百年里，物理學(xué)家積累了大量證據(jù)，說明這些不同事物間的相互作用，以及我們尋常遇到的萬千事物間的相互作用，都可以歸結(jié)為四種基本力的組合。其中之一是引力，另外三種力是電磁力、弱力和強(qiáng)力。

引力是大家最熟悉不過的，它不但讓我們能牢固地腳踏大地，而且還維持著我們不停地繞著太陽轉(zhuǎn)。物體質(zhì)量有多大，決定著它能產(chǎn)生多強(qiáng)的引力，對引力會有多大的反應(yīng)。電磁力在四種力中也是大家熟悉的，它是現(xiàn)代生活中一切方便的動力——例如光、計(jì)算機(jī)、電視、電話——它在電閃雷鳴時露出猙獰，也在輕輕觸摸的手上留下溫柔。從微觀的角度說，粒子電荷在電磁力中扮演著物質(zhì)質(zhì)量在引力中的角色：決定粒子能產(chǎn)生多強(qiáng)的電磁力，對電磁力有多大的反應(yīng)。

強(qiáng)力與弱力比較陌生，因?yàn)樗鼈冊诔^亞原子尺度以外就完全失去作用了，它們是作用在原子核中的力。難怪這兩種力的發(fā)現(xiàn)要晚得多。強(qiáng)力將夸克“膠結(jié)”在質(zhì)子和中子內(nèi)部，又把質(zhì)子和中子緊緊捆在一起塞進(jìn)原子核。弱力最為人所熟悉的作用是物質(zhì)（如鈾和鈷）的放射性衰變。

在過去的世紀(jì)里，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)所有這些力有兩點(diǎn)共同特征。第一點(diǎn)，我們將在第5章討論，在微觀層次上，所有的力都關(guān)聯(lián)著一個粒子，我們可以把那粒子想象為最小的力元。當(dāng)我們從“電磁射線槍”射出一束激光時，我們實(shí)際是在打開光子的激流，也就是最小的一束電磁力。同樣，弱力和強(qiáng)力場的最小單元是一些叫弱規(guī)范玻色子和膠子的粒子。（膠子這個名字特別形象，我們可以想象它是把原子核凝結(jié)起來的那種強(qiáng)力膠合劑的微觀成分。）到1984年時，實(shí)驗(yàn)家們已經(jīng)確定了這三種力的粒子的存在和具體性質(zhì)，如表1.2。物理學(xué)家相信，引力也關(guān)聯(lián)著一種粒子——引力子——不過它的存在還需要實(shí)驗(yàn)來證明。

表1.2　四種自然力及其相關(guān)粒子和質(zhì)量（以質(zhì)子質(zhì)量為單位）。（弱力的粒子有兩種可能的質(zhì)量。理論研究證明引力子是沒有質(zhì)量的。）

第二個共同點(diǎn)是，力由某種“荷”來決定。如質(zhì)量決定引力如何對粒子產(chǎn)生作用，電荷決定電磁力如何發(fā)生影響，粒子還被賦予一定的“強(qiáng)荷”和“弱荷”，它們決定著粒子如何感應(yīng)強(qiáng)力和弱力的作用（這些性質(zhì)詳細(xì)地列在本章注釋的表中1）。1但是，跟質(zhì)量的情形一樣，我們只知道實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們仔細(xì)測量過那些性質(zhì)，而沒有誰能解釋為什么我們的宇宙由具有那些特殊質(zhì)量和力荷的特殊粒子構(gòu)成。

盡管基本力有這些共同的特征，但是考察它們卻只不過使問題更復(fù)雜了。例如，為什么有四種基本力？為什么不是五種、三種甚至一種？為什么這些力會有那么多不同的性質(zhì)？為什么強(qiáng)力和弱力只能在微觀尺度上發(fā)生作用，而引力和電磁力卻具有無限的作用范圍？還有，為什么這些力的固有強(qiáng)度會有那么大的懸殊？

為說明最后這個問題，我們想象左手拿一個電子，右手拿一個電子，然后讓這兩個完全相同的帶電粒子靠近。粒子間的相互引力有助于它們靠攏，但電磁斥力卻會把它們分開。哪種力更強(qiáng)呢？根本沒法兒比：電磁斥力比引力強(qiáng)百億億億億億（1042）倍！如果說右臂代表引力的大小，那么，為了讓左臂能代表電磁力的大小，它必須伸展到我們已知的宇宙邊緣的外面。在我們身邊，電磁力并沒有完全壓倒引力，那是因?yàn)榇蠖鄶?shù)事物都由等量的正負(fù)電荷構(gòu)成，它們的電磁力相互抵消了。而另一方面，引力總是相互吸引的，不會消減——東西越多，引力就越大。不過根本說來，引力是極端微弱的。（所以，從實(shí)驗(yàn)來證實(shí)引力子的存在是很困難的。尋找最微弱的力的最小作用單元，是多大的挑戰(zhàn)啊?。?shí)驗(yàn)還證明，強(qiáng)力比電磁力強(qiáng)100倍，而比弱力強(qiáng)10萬倍。但是，宇宙憑什么有這樣的性質(zhì)——“存在理由”在哪兒？

一件事情為什么恰好是這樣而不是那樣，是鉆牛角尖兒的問題，但我們現(xiàn)在的問題可不是那樣的。即使物質(zhì)和作用粒子的性質(zhì)稍有改變，宇宙就會大為不同。例如，強(qiáng)力與電磁力的強(qiáng)度比例微妙地決定著構(gòu)成化學(xué)元素周期表上百余種元素的穩(wěn)定原子核的存在。擠在原子核里的質(zhì)子因電磁作用而相互排斥，多虧了作用在質(zhì)子里夸克間的強(qiáng)力才克服了排斥而把它們緊緊系在一起。但是，假如兩種力量的相對強(qiáng)度發(fā)生極小改變，就很可能破壞它們之間的平衡，使大多數(shù)原子核發(fā)生分裂。而且，假如電子質(zhì)量再大幾倍，它就會與質(zhì)子結(jié)合成中子，吞噬氫原子核（宇宙間最簡單的元素，核里只有一個質(zhì)子），從而破壞更復(fù)雜元素的產(chǎn)生。恒星的存在依賴于穩(wěn)定核之間的聚變，如果基本的物理學(xué)發(fā)生了那些改變，它們也不復(fù)存在了。引力的大小也影響恒星的形成。擠壓在恒星中心的物質(zhì)密度是它核熔爐的能源，也是星光的源泉。假如引力的強(qiáng)度增大了，恒星會裹得更緊，從而大大提高核反應(yīng)的速率。但是，正如烈焰比燭光能更快燒盡燃料，核反應(yīng)速率的提高會使恒星（如太陽）更快消亡，給我們所知的生命的形成帶來致命的災(zāi)難。反過來，假如引力強(qiáng)度大大減弱，物質(zhì)根本就不能聚集在一起，當(dāng)然更不可能形成恒星和星系了。

我們還可以繼續(xù)說下去，不過意思已經(jīng)清楚了：宇宙之所以如此，是因?yàn)槲镔|(zhì)和作用粒子具有那樣的性質(zhì)。但是，它們?yōu)槭裁从心切┬再|(zhì)呢？有科學(xué)的解釋嗎？

弦理論帶來了強(qiáng)有力的概念和范式，第一次提出了回答那些問題的框架。我們先來看看基本思想。

表1.1里的粒子是一切物質(zhì)的基本單元，像語言學(xué)里的“字母”一樣，它們看來也不會有什么更深層的結(jié)構(gòu)。弦理論卻另有說法。根據(jù)弦理論，假如我們以更高的精度——比現(xiàn)有技術(shù)高許多數(shù)量級的精度——去考察那些粒子，我們會發(fā)現(xiàn)它們并不是點(diǎn)狀的粒子，而是由一維的小環(huán)構(gòu)成的。每一個粒子都像一根無限纖細(xì)的橡皮筋，一根振蕩、跳動的絲線。物理學(xué)家沒有蓋爾曼那樣的文學(xué)天才，2

圖1.1　物質(zhì)由原子組成，而原子由夸克和電子組成。根據(jù)弦理論，所有這些粒子實(shí)際上是振動著的一根閉合的弦。

就把它叫弦。我們在圖1.1里說明了弦理論的基本思想：從一個普通的蘋果開始，不斷地放大它的結(jié)構(gòu)，顯出越來越小的組成。以前我們從原子走到質(zhì)子、中子、電子和夸克，現(xiàn)在弦理論在它前面增添了一根微觀的振動的線圈。2

雖然不是顯而易見的，我們在第6章還是可以看到，單純地以弦來代替點(diǎn)粒子的物質(zhì)組成，解決了量子力學(xué)與廣義相對論之間的矛盾。于是，弦理論解開了當(dāng)代理論物理學(xué)的戈迪烏斯結(jié)。3這是巨大的成就，但弦理論如此激動人心并不僅僅是因?yàn)檫@一點(diǎn)。

在愛因斯坦的年代，強(qiáng)力和弱力還沒有發(fā)現(xiàn)，但他還是為存在兩種截然不同的力——引力和電磁力——感到困惑。愛因斯坦不相信大自然會建立在那么奢華的設(shè)計(jì)圖上。于是，他走上了30年的探尋歷程，他希望能找到一個統(tǒng)一場論來說明這兩種力不過是同一個大的基本原理的不同表現(xiàn)。這場堂吉訶德式的追求將愛因斯坦從物理學(xué)主流里孤立出來?？梢岳斫?，物理學(xué)家們那時正激動地投入正在興起的量子力學(xué)。愛因斯坦在40年代初給朋友的信里說，“我成了孤獨(dú)的老頭兒，大概主要是因?yàn)椴淮┮m子而出了名，有時候還被當(dāng)成珍稀動物在特殊場合展覽?！?span id="7tyxoat" class="math-super">4

愛因斯坦走在了時代的前頭。半個多世紀(jì)以后，他的統(tǒng)一理論之夢成為現(xiàn)代物理學(xué)的圣杯。很大一部分物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家越來越相信，弦理論可能會帶來答案。從一個原理出發(fā)——萬物在最微觀的層次上是由振動絲弦的組合構(gòu)成的——弦理論提供了一個能囊括一切力和物質(zhì)的解釋框架。

例如，弦理論認(rèn)為，我們觀測到的粒子性質(zhì)，表1.1和表1.2所列的那些數(shù)據(jù)，不過是弦的不同振動方式的反映。我們知道琴弦（提琴或鋼琴）都有共振頻率，即弦傾向的振動頻率，也是我們耳朵聽到的不同的音調(diào)與和聲——同樣，弦理論里的環(huán)也有這樣的性質(zhì)。不過，我們將看到，弦理論的弦在共振頻率處的振動不是產(chǎn)生什么音樂，而是出現(xiàn)一個粒子，粒子的質(zhì)量和力荷由弦的振蕩模式?jīng)Q定。電子是以某種方式振動的弦，上夸克是以另一種方式振動的弦，等等。在弦理論中，粒子的性質(zhì)絕非一堆混亂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是同一物理特性的具體表現(xiàn)：基本閉合弦的共振模式——也可以說是弦的音樂。這種思想也適用于自然力。我們將看到，作用力的粒子也關(guān)聯(lián)著特定的弦振動模式，從而天地萬物，一切的物質(zhì)和所有的力都統(tǒng)一到了微觀弦振蕩的大旗下——那就是弦奏響的“音樂”。

這樣，我們在物理學(xué)史上第一次有了一個能解釋宇宙賴以構(gòu)成的所有基本特征的框架，因此有時人們說弦理論可能是一個“包羅萬象的理論”（theory of everything, T.O.E.）或者是一個“終極”理論。5這些浮華的字眼兒不過用來強(qiáng)調(diào)那可能是一個最深層的理論——是其他一切理論的基礎(chǔ)，而不需要甚至不允許有更基本的理論來解釋它。不過，許多弦理論家還是以更老實(shí)的態(tài)度來看待“萬象的理論”，在有限的意義上思考這個理論有多大能力來解釋基本粒子的性質(zhì)和粒子間相互作用的力的性質(zhì)。固執(zhí)的還原論者卻認(rèn)為那不是什么極限，從原則上講，從宇宙大爆炸到人類幻想的一切事物，都可以用關(guān)于物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的微觀物理學(xué)過程來描述。在還原論者看來，認(rèn)識了事物的組成，也就認(rèn)識了事物本身。

還原論者的哲學(xué)很容易激起爭論。他們認(rèn)為，生命和宇宙奇跡不過是循著物理學(xué)定律規(guī)定的舞步不停舞動著的微觀粒子的反映，很多人感到這種觀點(diǎn)愚蠢而令人厭倦。難道我們快樂、憂愁和無聊的感覺真的就是發(fā)生在大腦里的化學(xué)反應(yīng)嗎？——真的是分子和原子間的反應(yīng)嗎？或者，更微觀地說，真的是表1.1中的那些原本是振蕩的弦的粒子之間的反應(yīng)嗎？為回答這些批評，曾獲諾貝爾物理學(xué)獎桂冠的S·溫伯格（Steven Weinberg）在《終極理論之夢》中告誡說：

反還原論者的另一極端是，他們?yōu)槠渌杏X的現(xiàn)代科學(xué)的荒蕪感到沮喪。不論他們和他們的世界能在多大程度上還原為粒子的物質(zhì)或場及其相互作用，他們總覺得被那種認(rèn)識糟蹋了?！也幌胗檬裁船F(xiàn)代科學(xué)的美妙來回應(yīng)那些批評。還原論者的世界觀的確是冷漠的，沒有一點(diǎn)兒人情味，但我們必須忠實(shí)地接受它，不是因?yàn)槲覀兿矚g，而是因?yàn)槭澜绫緛砭褪悄菢舆\(yùn)行的。6

這種鮮明的觀點(diǎn)，有人贊同，也有人反對。

還有些人曾試圖說明，諸如混沌理論的發(fā)展告訴我們，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜性增大時，會出現(xiàn)一些新的定律來發(fā)生作用。認(rèn)識一個電子或夸克的行為是一回事，用這些知識去理解龍卷風(fēng)的行為是另一回事。關(guān)于這一點(diǎn)，多數(shù)人都是贊同的。但是，問題的分歧在于，經(jīng)常出現(xiàn)在比個別粒子更復(fù)雜的系統(tǒng)中的五花八門的意外現(xiàn)象，是否真的說明新物理學(xué)原理在發(fā)生作用，那些原理是否能夠（哪怕是以非常復(fù)雜的方式）從統(tǒng)治大量粒子的物理學(xué)原理推導(dǎo)出來？盡管很難用電子和夸克的物理學(xué)來解釋颶風(fēng)的性質(zhì)，但我以為那只是計(jì)算的尷尬，而不是需要新物理定律的信號。當(dāng)然，這一點(diǎn)也有人不同意。

然而，即使我們接受這種有爭議的固執(zhí)的還原論觀點(diǎn)，對我們這本書要講述的歷程來說，無疑還存在著嚴(yán)重的問題：原理是一回事，實(shí)際是另一回事。幾乎所有的人都同意，尋求“一個包羅萬象的理論”并不是說要把心理學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)，哪怕物理學(xué)的問題都囊括進(jìn)來解決。宇宙如此豐富多彩，變化萬千，我們所謂的終極理論，絕不是科學(xué)的終結(jié)。恰恰相反，發(fā)現(xiàn)T.O.E.——在最微觀水平上解釋宇宙，而不需要任何更深層的理論來解釋它自己——將為我們建立宇宙的新認(rèn)識提供最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。那發(fā)現(xiàn)將標(biāo)志著一個開始，而不是結(jié)束。終極理論將為我們樹立一座不朽的和諧的紀(jì)念碑，它讓人們相信，宇宙是可以理解的。

本書的中心是根據(jù)弦理論解釋宇宙的行為，特別還要強(qiáng)調(diào)這些結(jié)果對我們認(rèn)識空間和時間有什么意義。與其他科學(xué)發(fā)展的報(bào)道不同的是，我們這里講的理論還沒有完成，沒有經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也沒有完全被科學(xué)界接受。這是因?yàn)橄依碚撎願W、結(jié)構(gòu)太精妙，盡管在過去的20年里取得了令人難忘的進(jìn)步，但離我們完整把握它還著實(shí)太遠(yuǎn)。

所以，弦理論應(yīng)該看做發(fā)展中的理論，而它的部分結(jié)果已經(jīng)帶來了令人驚奇的關(guān)于空間、時間和物質(zhì)的新認(rèn)識。將廣義相對論與量子力學(xué)和諧地統(tǒng)一起來，是它的主要成功。而且，與其他理論不同，弦理論有能力回答有關(guān)自然最基本的物質(zhì)構(gòu)成和力的原初問題。同樣重要的還有（盡管不太好說），不論弦理論所能提供的答案，還是這些答案的理論框架，都有特別精美的結(jié)構(gòu)。例如，大自然似乎隨意表現(xiàn)的那些細(xì)節(jié)——如不同基本粒子的數(shù)目和各自的性質(zhì)——在弦理論中都是宇宙幾何的某些基本而實(shí)在的表現(xiàn)。如果弦理論是正確的，我們宇宙的微觀結(jié)構(gòu)將是一座錯綜復(fù)雜的多維迷宮，宇宙的弦在其中不停歇地卷曲、振動，和諧地奏響宇宙的旋律。大自然基本組成的性質(zhì)絕不是偶然的，而是深刻地與時空結(jié)構(gòu)交織在一起的。

然而，說到底，還得靠確定的可以檢驗(yàn)的預(yù)言來決定弦理論是否真正揭開了宇宙最深層真理的神秘面紗。要達(dá)到那一步，大概還要等一些時候，盡管正如我們將在第9章討論的，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在未來10年左右能為弦理論提供有力的旁證。而且，我們在第13章會看到，弦理論最近已經(jīng)解決了一個與所謂貝肯斯坦-霍金熵相聯(lián)系的有關(guān)黑洞的重大難題。20多年來，許多傳統(tǒng)的方法都沒能解決這個問題。這一成功使許多人相信弦理論正在給我們帶來對宇宙行為的最深刻認(rèn)識。

E·惠藤（Edward Witten）是弦理論的先驅(qū)者和卓越的專家，他曾這樣概括弦理論的現(xiàn)狀：“弦理論是21世紀(jì)物理學(xué)偶然落到20世紀(jì)的一個部分”，這話最早是著名意大利物理學(xué)家D·阿瑪提（Daniele Amati）說的。7這樣說來，在某種意義上，它有點(diǎn)兒像把一臺現(xiàn)代的超級計(jì)算機(jī)擺在19世紀(jì)末的前輩面前，卻沒有操作指令。通過創(chuàng)造性的反復(fù)試驗(yàn)也能顯現(xiàn)這臺計(jì)算機(jī)的威力，但要真正把握它還需要更艱辛和長久的努力。計(jì)算機(jī)的潛在威力跟我們看到的弦理論的強(qiáng)大解釋能力一樣，將激發(fā)人們完全把握它們的強(qiáng)烈愿望。同樣的動機(jī)在今天正激勵著一代理論物理學(xué)家去追尋一個精確的解析的弦理論。

惠藤和弦領(lǐng)域的其他專家的言論說明，還要經(jīng)過幾十年甚至幾百年我們才可能完全建立和理解弦理論。這很可能是對的。實(shí)際上，弦理論的數(shù)學(xué)很復(fù)雜，我們至今也不知道理論的方程是什么。而物理學(xué)家只知道那些方程的近似，即使這些近似的方程也夠復(fù)雜了，只得到部分的解。不過，在20世紀(jì)的最后幾年出現(xiàn)了一系列激動人心的突破——它回答了迄今難以想象的理論難題——大概預(yù)示著我們離完全定量認(rèn)識弦理論比原先想的要近得多。全世界的物理學(xué)家們還在發(fā)展比現(xiàn)行各種近似方法更優(yōu)越的技術(shù)，以令人驚喜的速度把弦理論疑惑的分離的元素組織起來。

令人驚奇的是，弦理論的這些發(fā)展讓我們能夠用更好的觀點(diǎn)來重新解釋一些早已深入人心的理論的基本概念。例如，當(dāng)我們看表1.1時，會自然生出疑問：為什么是弦呢？為什么不是小飛盤呢？為什么不是一滴滴的小東西？為什么不是這些可能事物的組合？在第12章我們會看到，最近的研究表明，那些事物在弦理論中的確扮演著重要角色，而且，弦理論不過是更宏大的綜合理論的一部分——那個理論現(xiàn)在（頗為神秘地）叫M-理論。這些最新發(fā)展是我們這本書最后幾章的主題。

科學(xué)的歷程起伏跌宕，有時碩果累累，有時田園荒蕪?？茖W(xué)家推出的結(jié)果，不論理論的，還是實(shí)驗(yàn)的，都擺在科學(xué)界同仁的面前，任他們評說。這些結(jié)果，有時被否定，有時被修正，有時則為我們重新更精確地認(rèn)識物理學(xué)的宇宙帶來思想的飛躍。換句話說，科學(xué)曲曲折折地走向我們希望的最后真理，這條路從人類最原始的探索開始，通向我們未知的宇宙盡頭。弦理論是這條路上的一個驛站，一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，還是最后的終點(diǎn)，我們不知道。不過，數(shù)以百計(jì)的來自不同國度的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們最近20年的研究，使我們能滿懷信心地希望，我們正走在正確的道路上，也許離終點(diǎn)不遠(yuǎn)了。

憑我們現(xiàn)在的認(rèn)識水平，也能從弦理論獲得對宇宙行為的新認(rèn)識，這一點(diǎn)足以證明弦理論是多么豐富而深刻。我們下面要講的主要內(nèi)容是這些理論發(fā)展，如何將愛因斯坦狹義和廣義相對論開創(chuàng)的空間和時間認(rèn)識的革命，繼續(xù)推向前進(jìn)。我們將看到，假如弦理論是正確的，那么我們宇宙結(jié)構(gòu)的某些性質(zhì)，也可能令愛因斯坦驚訝萬分。

注釋

1.下面的表是表1.1的補(bǔ)充。它記錄了三族粒子的質(zhì)量和作用荷。每一類夸克都能攜三種可能的強(qiáng)作用荷，我們想象那是夸克的“色”——它代表荷的數(shù)值大小。這兒列舉的弱荷準(zhǔn)確地應(yīng)該叫弱同位旋的“第3分量”。（我們沒有列舉粒子的“右手”分量——可以通過沒有弱荷來區(qū)別它們。）

2.除了圖1.1畫的圈（閉弦）外，弦也可以是兩端自由活動的（即所謂的開弦）。為表達(dá)簡潔，我們多數(shù)時候都只談閉弦，不過幾乎所有論述都適合于這兩種情況。