作者簡介：

B·格林，畢業(yè)于哈佛大學(xué)，在牛津大學(xué)獲博士學(xué)位，曾是那的Rhodes學(xué)者。1990年，他來到康奈爾大學(xué)物理系，1995年被聘為教授，1996年到哥倫比亞大學(xué)任物理學(xué)和數(shù)學(xué)教授。他曾在20多個國家開過普及和專業(yè)講座，公認(rèn)在超弦理論中有過許多開拓性的發(fā)現(xiàn)。他現(xiàn)在住紐約綺色佳。

B·格林十分精妙地把科學(xué)思想與寫作融合起來。本書撩開了弦理論的神秘面紗，揭示了一個十一維的宇宙。那里，空間的纖維撕裂了又自己縫合起來，一切物質(zhì)——從最小的夸克到最巨大的超新星——都在微觀的小能量環(huán)的振動中產(chǎn)生。

本書榮獲2000年安萬特科學(xué)圖書獎。從愉快的園中漫步到澆花龍頭上的螞蟻，為了說明現(xiàn)代物理學(xué)正在揭示的美妙而困惑的實(shí)在，格林用了很多例子。 本書的才情令人眩暈，也沒有哪本書像它那樣啟迪思想，愉悅讀者。它真是一部科學(xué)的杰作——一次愉快清心的現(xiàn)代物理學(xué)旅行，讓我們比以前離宇宙更近了……

知識的邊緣

現(xiàn)代物理學(xué)有兩大支柱理論：

1：愛因斯坦的相對論，它從大尺度上解釋了宇宙，如恒星，星系，星系團(tuán)以及比它們更大的宇宙自身的膨脹的現(xiàn)象提供了理論框架。

2：量子力學(xué)，它從小尺度上解釋了分子、原子以及比原子更小的粒子，比如電子和夸克的存在提供了理論框架。量子力學(xué)是由許多科學(xué)家，包括普朗克、海森堡、波爾、薛定諤等人共同提出。

但一個不幸的消息是，這兩個理論是不相容的是不同的，夸克的瘋狂舞蹈的運(yùn)行軌跡和天體的規(guī)律運(yùn)行是完全不一樣的。但從宇宙是一個整體，不應(yīng)該存在兩種完全不同的理論，所以這兩種理論不可能都正確，也就是，有個理論或者說兩個理論肯定是錯誤的。但是最近科學(xué)家提出了第三章能解釋這兩個理論的：超弦理論。也就是本書正要講解的。它從最基本的層面上描述了宇宙的規(guī)模，緩解了廣義相對論和量子力學(xué)的緊張關(guān)系和不可調(diào)和的矛盾。這是一種“大”的定律和“小”的定律的結(jié)合，讓我們從第三個視角觀察宇宙。超弦理論極大地改變了我們對空間、時間、物質(zhì)的認(rèn)知，今天，就讓我們開始這次奇妙的之旅吧。

科學(xué)史上人類對宇宙的認(rèn)識經(jīng)歷了三次沖突。

第一次沖突：在19世紀(jì)末，根據(jù)牛頓的運(yùn)動定律，誰如果跑的足夠快，就能趕上過去的光束。但是根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)定律，誰的跑不過光。后來愛因斯坦的狹義相對論解釋了這個問題，它推翻了時間和空間的認(rèn)知，時間和空間并不是固定不變的，它們是靈活多變和運(yùn)動的狀態(tài)。后續(xù)我們會講到。

第二次沖突：愛因斯坦認(rèn)為任何物體都不可能跑得比光快。但是牛頓的引力理論卻讓我們看到了有一些東西可以瞬間穿越巨大的空間距離。后來，愛因斯坦提出了廣義相對論解決了這個問題。認(rèn)為空間和時間不僅是運(yùn)動的，而且還可以彎曲。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外一個地方。

第三個沖突：19世紀(jì)的物理學(xué)概念用于微觀世界時，出現(xiàn)了大量的問題。從1900年此后的30年里，物理學(xué)家們開創(chuàng)了量子力學(xué)，用來解釋微觀世界的宇宙規(guī)律。這些也將在后續(xù)詳細(xì)闡述。

20世紀(jì)80年代中期，弦理論為我們帶來了量子力學(xué)和廣義相對論的調(diào)和的一種解釋框架。同時再一次顛覆了我們對時間和空間的概念。比如通常情況下，我們認(rèn)為宇宙是三維的，但實(shí)際上宇宙是11維的。

人類對于宇宙的認(rèn)識，古希臘人認(rèn)為宇宙萬物應(yīng)該是由一些基本他們稱之為“原子”的原材料組成，而且這些原材料應(yīng)該數(shù)量并不多。就像我們用26個英文字母組成了千千萬萬的語言和文字世界一樣。直到19世紀(jì)，科學(xué)家們還認(rèn)為原子是組成宇宙最小的最基本的單位，但是20世紀(jì)30年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子并不是最小的，里面還包含著質(zhì)子和中子，核外還繞著一群旋轉(zhuǎn)的電子。后來很長一段時間這種理論被延續(xù)。但是在1968年，人類利用強(qiáng)大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)更加微觀的層面。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子都不是最基本的。它們都是由更小的“夸克”組成。夸克分為兩種，上夸克和下夸克。質(zhì)子是由兩個上可夸克和一個下夸克組成；中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。后來，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了更小的粒子，稱之為：中微子，這種中微子并不常見，它們像幽靈一樣，很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，能穿透幾百億千米的物質(zhì)，它們就這樣孤獨(dú)地，毫無顧忌地在宇宙中穿行。

但我們對微觀世界的探索還沒有結(jié)束，科學(xué)家們又相繼發(fā)現(xiàn)了μ子、四種夸克，粲、奇、底、頂以及π、另外π有兩個性質(zhì)與中微子相同的粒子。同時發(fā)現(xiàn)，每一個粒子都有一個質(zhì)量相同、電荷相反的反粒子。比如電子的反粒子就正電子，電子的電荷為-1，正電子的電荷為+1。物質(zhì)與反物質(zhì)接觸時，會相互湮滅，生成純粹的能量。

那么問題就來了，我們?yōu)槭裁葱枰敲炊嗔Ｗ樱课覀冎車氖挛锼坪踔恍枰娮印⑸峡淇撕拖驴淇司蛪蛄藛幔?/p>

力-光子在哪兒？

在當(dāng)前的物理學(xué)理論中，宇宙存在四種基本力的組合：引力；電磁力；弱力和強(qiáng)力。

引力大家比較熟悉，我們能在站在地球表面，也就是引力的作用，牛頓也提出了萬有引力定律。物體質(zhì)量和引力之間存在直接關(guān)系。

電磁力也是比較熟悉的，它是現(xiàn)代生活中一切方便的動力，比如光、計(jì)算機(jī)、電視、電話等信號傳播中的一種力，粒子電荷在電磁力中扮演做物理質(zhì)量在引力中的角色：決定粒子能產(chǎn)生多強(qiáng)的電磁力，對電磁力的反應(yīng)有多大都是粒子電荷決定的。

但是，強(qiáng)力和弱力對大家來說就比較陌生了。因?yàn)樗鼈冊诔^亞原子尺度之外就完全失效了。它們是作用在原子核中的力，強(qiáng)力將夸克“膠結(jié)”在質(zhì)子和中子內(nèi)部，又把質(zhì)子和中子緊緊地捆綁在一起塞進(jìn)原子核。弱力最為人熟悉的作用是物質(zhì)的放射性衰變。

所有這四種力有兩個共同點(diǎn)。

第一：在微觀層面，所有的力都關(guān)聯(lián)著一個粒子，我們可以把那些粒子想象成為最小的力元。

第二：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。

但是關(guān)于宇宙的力，我們還是有很多疑問，比如為什么只是4種，不是5種或者6種？為什么強(qiáng)力和弱力只在微觀的尺度上才發(fā)生作用等等。

超弦理論

在宏觀上的廣義相對論和微觀上的量子力學(xué)基礎(chǔ)上，物理學(xué)家們提出了能融合兩種理論，并且能有效解決當(dāng)前未解之謎的問題的更加基礎(chǔ)的理論：超弦力量。

如下圖所示，以前我們從原子走到質(zhì)子、中子、電子和夸克，現(xiàn)在超弦在它的前面添加了一個基本的微觀振動線圈，這個基本的粒子稱之為弦，是類似一個閉環(huán)的橡皮筋一樣的物質(zhì)。在超弦理論中，宇宙萬物是由振動的絲弦組合構(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。比如弦理論認(rèn)為不同的粒子的性質(zhì)是由弦的不同振動方式?jīng)Q定的，粒子的質(zhì)量和力荷有弦的振動模式?jīng)Q定。電子和夸克都是以某種方式振動的弦。粒子的性質(zhì)絕非一堆混亂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是同一物質(zhì)特性的具體表現(xiàn)：基本閉合弦的共振模式。

弦理論的提出，是物理學(xué)史上第一次有了一個能解釋宇宙以及構(gòu)成的所有基本特征的理論框架，是一種被認(rèn)為或者說期待的包羅萬象的理論。盡管過去20多年，超弦理論取得了巨大的進(jìn)步，但其實(shí)還是一個發(fā)展中的理論，還不完成成熟，還需要科學(xué)家們不懈的努力，去一步步解開宇宙的奧秘。

時間、空間和觀眾的眼睛

今天的內(nèi)容主要是闡述了愛因斯坦的狹義相對論，時間、空間以及光的的原理。由于內(nèi)容過于抽象，書中也列舉了大量的思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和說明，這里我篩選了部分實(shí)驗(yàn)和結(jié)論為了大家講述。

愛因斯坦的狹義相對論指出，空間和時間都不是絕對的，構(gòu)成狹義相對論基礎(chǔ)的兩個簡單的原理：

1：一個與光的性質(zhì)有關(guān)，也就是光速是恒定的，光速是10.8億千米/小時；

2：另外一個相對比較抽象，是相對性原理，也就是運(yùn)動是相對的。這個原理基于一個簡單的事實(shí)：不論我們討論速度的大小還是方向，都必須要明確測量者。這個就是相對論思想的精髓。我們用一個思想實(shí)驗(yàn)說明。

假設(shè)在浩瀚的宇宙，喬治飄忽在黑暗的空無一物的空間中，從他的角度，他是完全靜止的。而遠(yuǎn)處，他看到另外一個同樣漂浮在宇宙中的另外一個人格雷西正向他飄過來。經(jīng)過他時，他們相互揮了揮手。緊接著，格雷西消失在黑暗的夜空中。這個故事如果從格雷西的角度看，也可以解釋為，格雷西自己感覺是靜止的，遠(yuǎn)處的喬治向她飄過來，然后揮了揮手之后消失在夜空中。這兩個故事講的是同一件事情。兩個人都覺得自己的靜止的。這就是相對性原理的精髓：運(yùn)動是相對。

在狹義相對論里，不僅運(yùn)動是相對的，時間和空間的結(jié)構(gòu)密切依賴于觀察者和被觀察者之間的相對運(yùn)動。運(yùn)動物體的演化會變慢，運(yùn)動物體在時間上會感覺慢了，在運(yùn)動方向上的長度也變短了。

在愛因斯坦的狹義相對論里，物體的運(yùn)動大部分是在時間，而不是在空間中度過的。在我們的普遍認(rèn)知中，我們都是在空間中度過的，我們坐在沙發(fā)上看電視，在大街上行走，我們生活在一個三維的空間里，這個大家比較好理解。但愛因斯坦將我們的時間看成宇宙的第四維度，我們實(shí)際上是生活在包括時間維度的四維的宇宙中。比如當(dāng)我們約一個朋友在什么地方見面時，我們除了確定雙方的三維空間（就是在什么具體的地方）以外，我們還會約定一個時間，比如下午4點(diǎn)見面。

于此，愛因斯坦將時間和空間的概念統(tǒng)一在一起。前面我們講到，當(dāng)物體相對于我們空間運(yùn)動時，它的時間也會變慢。那么同樣的，在時間的維度里，當(dāng)物體相對時間運(yùn)動時，它在時間里的運(yùn)動速度也變慢了。

宇宙間的一切事物總是以一個恒定的速度（光速）在時間和空間里運(yùn)動，而且我們?nèi)S空間和一維時間的相加的速度就是光速。但我們?nèi)粘Ｉ钪羞\(yùn)動的物體速度遠(yuǎn)小于光速，因此我們感覺不到相對效應(yīng)的存在。這點(diǎn)怎么解釋呢？

加入一個物體（相對于我們）是靜止的。也就是說它在空間里是不動的，那么相對于我們，這些物體的空間運(yùn)動速度是0，所以我們和這些物體在時間維度的速度是一樣的光速，所以我們會跟它們以一樣的速度變老。但是另外一面。如果一個物體相對于我們是運(yùn)動的，比如汽車從我們身邊駛過，那么物體運(yùn)動的轉(zhuǎn)移意味著它在空間運(yùn)動速度大于0，所以它在時間速度中就會微小于光速，因?yàn)樗幸徊糠诌\(yùn)動轉(zhuǎn)移到空間里面去了。也就是說，當(dāng)物體在空間運(yùn)動時，它的時間會變慢。

如此推演，當(dāng)物體在空間中的運(yùn)動速度為光速時，那么它是時間應(yīng)該是靜止的，也就是時間的速度為0。那么，如果物體的運(yùn)動速度超過光速，我們就可以時光倒流嗎？可惜的是，任何物體的運(yùn)動不可能超過光速。這是為什么呢？

質(zhì)能等價理論是愛因斯坦狹義相對論的最重要的推論,即著名的方程式E=mC2,式中E為能量,m為質(zhì)量,C為光速；也就是說,一切物質(zhì)都潛藏著質(zhì)量乘于光速平方的能量.由此可以解釋為什么物體的運(yùn)動速度不可能超過光速。

一個靜止的物體,其全部的能量都包含在靜止的質(zhì)量中.一旦運(yùn)動,就要產(chǎn)生動能.由于質(zhì)量和能量等價,運(yùn)動中所具有的能量應(yīng)加到質(zhì)量上,也就是說,運(yùn)動的物體的質(zhì)量會增加.當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)低于光速時,增加的質(zhì)量微乎其微,如速度達(dá)到光速的0.1時,質(zhì)量只增加0.5％.但隨著速度接近光速,其增加的質(zhì)量就顯著了.如速度達(dá)到光速的0.9時,其質(zhì)量增加了一倍多.這時,物體繼續(xù)加速就需要更多的能量.當(dāng)速度趨近光速時,質(zhì)量隨著速度的增加而直線上升,速度無限接近光速時,質(zhì)量趨向于無限大,需要無限多的能量.因此,任何物體的運(yùn)動速度不可能達(dá)到光速,只有質(zhì)量為零的粒子才可以以光速運(yùn)動,如光子。

好了，總結(jié)下今天的內(nèi)容，有幾點(diǎn)。

1：狹義相對論中，運(yùn)動是相對，時間和空間也是相對的。

2：我們生活在一個四維空間中，以光速在時空中運(yùn)行。

3：光速是恒定的，任何物體的運(yùn)動速度不可能超過光速。

卷曲與波瀾

愛因斯坦狹義相對論解釋了時間、空間以及光的性質(zhì)，闡述了萬物的運(yùn)動速度極限是光速，但是卻引出了另外一個問題：以光速為物體運(yùn)動極限的概念與牛頓17世紀(jì)后期提出了引力理論是不相容的，因?yàn)橐梢运查g在兩個大大質(zhì)量星體直接傳播。換句話說，引力的速度是應(yīng)該超過光速的。經(jīng)過多年研究，愛因斯坦提出了廣義相對論。在這個理論中，他又一次革新了我們對空間、時間的觀念，他證明它們是卷曲著的，而引力就是那個卷曲的波瀾。

1642年，牛頓出生于英國的林肯郡，毫無疑問，他是一位科學(xué)天才，他對宇宙有無數(shù)的發(fā)現(xiàn)，其中最為著名的就是萬有引力定律。今天我們知道，我們能穩(wěn)穩(wěn)地站在地球上而不會漂浮在太空中，就是地球引力的作用。這樣簡單的常識，在300多年前，沒有人知道蘋果會落下的原理和行星圍繞著太陽公轉(zhuǎn)的原理是一樣的。

牛頓認(rèn)為兩個物體之間的引力大小取決于兩個因素：組成每個物體的物質(zhì)總量和物體間的距離。物體質(zhì)量越大，引力也就也大，反之越小。并且給出了精確計(jì)算引力的方程式，稱之為：引力定律。直到20世紀(jì)初，引力定律一直被公認(rèn)為不容辯駁的真理。

但是愛因斯坦的狹義相對論提出了光速是一切宇宙萬物的運(yùn)動速度的最大值。但是按照引力定律，兩個物體之間的引力和距離是存在關(guān)系的。可以試想太陽突然爆炸之后，原理1.5億千米的地球會立刻脫離太陽的運(yùn)動軌道，但是光從太陽到地球需要8分鐘，也就是說，引力的速度超過了光速，這顯然和愛因斯坦的狹義相對論是矛盾的。

在牛頓提出引力的同時，他并沒有解釋引力到底是什么，也沒有說明引力究竟是怎么發(fā)生作用的。兩個物體相隔億萬里，他們憑什么發(fā)生關(guān)系的呢？

1907年的一天，愛因斯坦坐在瑞士的一間辦公室里，經(jīng)過曲折坎坷的思維活動，他終于意識到這個問題的答案。狹義相對論通過相對性原理確立了不同觀察者的觀點(diǎn)都是平等的。物理學(xué)定律對一切勻速運(yùn)動的觀察者都是一樣的。但是對于那些加速運(yùn)動者呢？愛因斯坦發(fā)現(xiàn)利用了空間和時間的彎曲來講加速度和引力聯(lián)系在了一起。讓我們看看他是如何做到的。

愛因斯坦通過一系列實(shí)驗(yàn)首先證明了所有加速度運(yùn)動時，空間都是彎曲的，而且時間也是卷曲的。而且愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，引力其實(shí)就是時間和空間的彎曲。這就是廣義相對論的思想精髓。什么意思呢？當(dāng)沒有任何物體或者能量時，空間應(yīng)該在二維平面上是平直的。但是在這個二維平面上，如果有一個很大質(zhì)量的物體時，這個物體就會讓這個平面凹陷，類似于一個球落入一張網(wǎng)上一樣。地球繞著太陽轉(zhuǎn)，仿佛有一個繩子將地球和太陽連接在一起。其實(shí)就是地球卷入了太陽將空間凹陷的軌道中，我們稱這樣的現(xiàn)象叫做引力的作用。所以，導(dǎo)致地球和太陽之間的引力的神秘力量，是因?yàn)樘柕拇嬖冢瑢?dǎo)致了空間的彎曲。因此愛因斯坦的廣義相對論將空間的彎曲結(jié)合在了一起解釋了引力的作用，闡述了引力的動因是宇宙的結(jié)構(gòu)。

所以按照這一理論，如果太陽爆炸了，由于引力的作用，我們地球還是需要8分鐘才知道太陽爆炸的事實(shí)。

奇異的微觀世界

愛因斯坦為了我們帶來了解釋宇宙的宏觀世界的一套堅(jiān)貞不破的定律廣義相對論，而德國物理學(xué)家普朗克給我們帶來了宇宙另外一套微觀世界的理論：量子力學(xué)。量子力學(xué)是我們認(rèn)識微觀宇宙的概念框架。當(dāng)我們考察原子及亞原子的世界時，量子力學(xué)將揭示也許更為驚人的微觀世界的特性。接下來，就讓我們一起進(jìn)入宇宙的微觀世界吧。

1928年，量子力學(xué)的許多公式就已經(jīng)確立了，到現(xiàn)在已經(jīng)將近100年歷史，它是科學(xué)史上最精確和最成功的數(shù)字預(yù)言。愛因斯坦的廣義和狹義相對論改變了我們對宇宙世界空間、時間和運(yùn)動速度的觀念。而量子力學(xué)向我們展示了宇宙另外一個完全不同的微觀世界的自然規(guī)律。它們是兩個當(dāng)代物理學(xué)的理論支柱，但是愛因斯坦是完全拒絕量子力學(xué)的，甚至量子力學(xué)的核心人物玻爾曾說過：誰如果在思路量子力學(xué)時不曾有過迷惑，他就沒有真正懂得它。可見量子力學(xué)并不那么容易接受。

很早我們就知道，地球上萬物生命的能量來自太陽，電磁波將太陽能帶到地球。根據(jù)19世紀(jì)的熱力學(xué)，我們知道即便在一個烤爐中，有數(shù)個完整的電磁波峰和波谷，而每一列波都被賦予了相同的能量。這樣會推導(dǎo)出一個結(jié)論，當(dāng)烤爐內(nèi)有無限的波時，這個烤爐內(nèi)具有無限的能量，當(dāng)然我們知道這是不可能的，和我們的常識相違背。

1900年，普朗克提出了一個激動人心的猜想，消除了無限能量的煩惱，他假設(shè)一列波具有的最小能量正比于波的頻率，高頻波意味著大能力，低頻波意味著小能量。就像海上洶涌的波濤都是短波，而平靜的湖面都是長波一樣。普朗克認(rèn)為，波的最小能量正比于波的頻率，而有的波不會對整體貢獻(xiàn)能量的。在一個烤爐內(nèi)，只有有限的波能對烤爐里的總體能量有所貢獻(xiàn)。普朗克在計(jì)算能量的方程式中增加了一個調(diào)節(jié)參數(shù)，從而能準(zhǔn)確地預(yù)言任何溫度下測量烤爐的能量，這個參數(shù)被我們稱之為：普朗克常數(shù)，大約是平常單位的千億億億分之一。普朗克常數(shù)非常小，說明每個能量包的尺度也非常小，按照普朗克的觀點(diǎn)，波的能量實(shí)際上是一點(diǎn)點(diǎn)傳播的，但是那個小點(diǎn)太小了，以至于我們看起來是連續(xù)不斷的。

愛因斯坦認(rèn)為一束光其實(shí)可以認(rèn)為是一股光粒子流，化學(xué)家劉易斯將這個粒子流稱之為：光子。根據(jù)光的粒子觀，一只普通的100瓦的燈泡每秒鐘大概會發(fā)出1萬億億億多個光子，愛因斯坦用這個新概念提出了光電效應(yīng)背后的微觀機(jī)制。他指出：當(dāng)一個電子被足夠能量的一個光子擊中時，它會從金屬的表面逃逸出來。那么是什么決定每個光子的能量呢？愛因斯坦根據(jù)普朗克的引導(dǎo)，提出了每個光子的能量正比于光波的頻率。因此愛因斯坦證明了，普朗克的能量包的猜想實(shí)際上反映了電磁波的一個基本特性：電磁波由粒子即光子組成，是一束光的量子。這是一個巨大的發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在我們知道水是由大量的水分子組成的，光波是由大量粒子（光子）組成。愛因斯坦通過一系列實(shí)驗(yàn)證明，光同時具有粒子性，也具有波動性，也就是說，剛即是粒子也是波。這就是我們說的光的“波粒二象性”。1923年，法國物理學(xué)家德布洛意提出了波粒二象性不僅是光具有，也適用于其他物質(zhì)。1927年，量子力學(xué)發(fā)展得到了主流科學(xué)界的認(rèn)可，宇宙不再是一個精確的模型，按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，宇宙也遵照嚴(yán)格準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式演化，不過那些形式所決定的只是未來發(fā)生的幾率，不是不一定性。

換句話說，量子力學(xué)給宇宙發(fā)展帶來了不確定性，打破了廣義相對論的宇宙確定性和規(guī)律性的認(rèn)知。當(dāng)然愛因斯坦是反對的，便了那句名言：上帝不會跟宇宙玩骰子。

就像愛因斯坦一樣，物理學(xué)家對量子力學(xué)理論一直還存在爭議。物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼是繼愛因斯坦以來最偉大的物理學(xué)家之一，他完全接受了量子力學(xué)的核心理論。在1927年，物理學(xué)家海森堡發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)的另外一個核心特征：不確定性。隨時不斷有物理學(xué)家加入量子力學(xué)的陣營，量子力學(xué)也更多地被物理學(xué)家所接受。

渴望新理論：廣義相對論與量子力學(xué)

過去100年，廣義相對論和量子力學(xué)讓我們探索宇宙的尺度從最大一直到最小。人類取得了非常多了不起的成就。但是我們也意識到，量子力學(xué)和廣義相對論沒能達(dá)到最深層次的認(rèn)識。因?yàn)樗鼈兊倪m用范圍是不同的，在一些情況下還有沖突，比如在討論黑洞的中心、在大爆炸時刻的宇宙等方面這兩套理論存在對立矛盾面。

愛因斯坦的能量方程式告訴我們，能量和物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化，量子力學(xué)中，海森堡的不確定性告訴我們，能量和動量在微觀世界中瘋狂漲落，宇宙在微觀尺度上類似一個鬧哄哄、混沌、瘋狂的世界。但是動量和能量在微觀世界中可以相互抵消，因此在宏觀世界看來，一切都是寧靜和太平的。

簡而言之，微觀世界的混沌狀態(tài)和宏觀世界的規(guī)律性就是這兩個理論最大的矛盾點(diǎn)。

廣義相對論適用于巨大的天文學(xué)尺度。在那樣的距離，愛因斯坦的理論說明，沒有物質(zhì)意味著空間是平直的，像圖3.3畫的那樣。為了把廣義相對論與量子力學(xué)融合起來，我們現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)移關(guān)注的焦點(diǎn)，去考察空間的微觀性質(zhì)。如圖所示。我們說明了如何一點(diǎn)點(diǎn)去暴露越來越小的空間結(jié)構(gòu)。開始的時候，看不出什么來；看圖中底下的三層，空間結(jié)構(gòu)幾乎是一樣的形態(tài)。從純經(jīng)典的立場看，我們以為這樣平直穩(wěn)定的空間圖景會一直保持到任意的距離尺度。但量子力學(xué)完全改變了這種想法。萬物都擺脫不了不確定性原理所規(guī)定的量子漲落——引力場也不例外。雖然經(jīng)典理論認(rèn)為虛空間沒有引力場，但量子力學(xué)證明，引力場盡管在平均意義上等于零，實(shí)際上卻因量子漲落而波蕩起伏。另外，不確定性原理還告訴我們，關(guān)注的空間越小，看到的引力場起伏越大。量子力學(xué)展現(xiàn)了一個沒有絕望的世界，越是狹小的地方，越是浪花飛濺。

引力場通過空間的彎曲表現(xiàn)出來，而量子漲落通過空間周圍越來越強(qiáng)烈的扭曲表現(xiàn)自己。物理學(xué)家惠勒發(fā)明用“量子泡沫”來描述超微的空間和時間里表現(xiàn)出來的混沌狀態(tài)，在那個尺度上，空間和時間都失去了意義。在這個尺度上，正是量子力學(xué)和廣義相對論不相容的地方。

弦理論的基礎(chǔ)

1984年，格林和施瓦茲提出了弦理論，這個革命性的理論修正了我們對宇宙超微觀性質(zhì)的理論描述，隨著一批批物理學(xué)家的前埔后續(xù)，使得該理論和愛因斯坦的相對論和量子力學(xué)相容了。弦理論的出現(xiàn)并不是一帆風(fēng)順的，它經(jīng)歷了兩次作者稱之為“超弦革命”。

第一次是發(fā)生在1984年到1986年，是“第一次超弦革命”，在那3年里，全世界的物理學(xué)家們?yōu)槌依碚搶懥私磺Ф嗥芯空撐摹Ｏ依碚摫蛔u(yù)為當(dāng)?shù)刈顐ゴ蟮睦碚撝唬撕笥纸?jīng)歷了一系列質(zhì)疑和低谷。

第二次是1995年，惠藤在南加利福利亞一次物理學(xué)大會上發(fā)表演講，提出了一套新的方法，有望克服以前所遇到的理論障礙，全世界的超弦理論家們又一次看到了希望的曙光，我們稱之為“第二次超弦革命”。

弦理論有幾個基本理論：

1：宇宙的基本構(gòu)成要素不是點(diǎn)粒子，而是像細(xì)橡皮筋的上下振動著的唯一絲線，各種不同的粒子只是這個線圈的不同振動模式。

2：宇宙中所有的物質(zhì)和里都來自于這種振動的線圈，我們稱之為：弦，它非常非常的小，平均大約是普朗克長度的尺寸，大小是原子核的一萬億億分之一（小數(shù)點(diǎn)后19個零）。

3：弦是構(gòu)成宇宙萬物真正的“原子”，可以稱之為“基元”，比它再小的物質(zhì)已經(jīng)沒有什么意義。

弦與粒子質(zhì)量的關(guān)聯(lián)是很容易理解的。弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現(xiàn)象：當(dāng)我們用力撥動琴弦時，振 動會很劇烈；輕輕撥動它時，振動會很輕柔。而依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能原理，能量和質(zhì)量像一枚硬幣的兩面，是同一事物的不同表現(xiàn)：大能量意味著大質(zhì)量，小能量意 味著小質(zhì)量。因此，振動較劇烈的粒子質(zhì)量較大，反之，振動較輕柔的粒子則質(zhì)量較小。

依照弦理論，每種基本粒子所表現(xiàn)的性質(zhì)都源自它內(nèi)部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成，而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實(shí)際上是在相同的弦上彈奏著不同的“音調(diào)”。由無數(shù)這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。

在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性。現(xiàn)在我們明白了，粒子的波動性就是由弦的振動產(chǎn)生的。

物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在著直接的聯(lián)系。同樣的關(guān)聯(lián)也存于弦振動模式與其它力的性質(zhì)之間，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強(qiáng)力也完全由它的振動模式?jīng)Q定。? ? ? 這里又涉及到了四種基本力。

宇宙中存在著各種類型的力，是它們把散沙般的基本粒子結(jié)合在一起，組成了各種各樣的物質(zhì)，并安排了宇宙間的秩序。這些力從本質(zhì)上都可歸結(jié)為四種基本力：引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力。? ? ? ? 這四種力的來源是不一樣的。引力源于物體質(zhì)量的相互吸引，兩個有質(zhì)量的物體間就存在引力，物體的質(zhì)量越大，引力就越大。電磁力是由粒子的電荷產(chǎn)生的，一個 粒子可以帶正電荷，或者帶負(fù)電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸。如果一個粒子不帶電荷，則不受電磁力的影響，不會感受到排斥力和吸引力。強(qiáng)力主要是把夸克 結(jié)合在一起的力，所以也叫核力。像電磁力一樣，也起源于電荷，不過只是夸克間的電荷，物理學(xué)家稱之為“顏色電荷”。弱力的作用是改變粒子而不對粒子產(chǎn)生推 和拉的效應(yīng)，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。

四種力的相對強(qiáng)度以及作用范圍都有著巨大的區(qū)別。從相對強(qiáng)度上來說，假定以電磁力的強(qiáng)度為一個單位強(qiáng)度，則強(qiáng)力要比這個單位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到幾乎是可以忽略不計(jì)的：在微觀世界中，它只有電磁力的1040分之一！從作用范圍上來說，引力的作用范圍是宇宙范圍的；電磁力的作用范圍在理論上可以達(dá)到無限遠(yuǎn)，但實(shí)際上，大多數(shù)物體正負(fù)電荷相互抵消，其外部都呈電中性；而強(qiáng)力和弱力的作用范圍則極小，只能在粒子范圍內(nèi)發(fā)生作用。

這四種強(qiáng)弱懸殊、性質(zhì)各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。

超弦的“超”

物理定律的對稱性

從138億年前的宇宙大爆炸開始，我們的就時刻在變，可以說是瞬息萬變，而我們假定主宰這些變化的定律是固定不變的，即使這些定律在變，也應(yīng)該是非常緩慢的。物理學(xué)家們將這種物理定律不隨時間和空間的變化的性質(zhì)稱之為自然的對稱性。就像引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力在不同的尺度上都應(yīng)該具有一樣的規(guī)律一樣。

自旋

基本的粒子（如電子）能像地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。但電子并沒有表現(xiàn)出類似地球自轉(zhuǎn)一樣的規(guī)律。但是100年前法國人安培證明了磁性來自電荷的運(yùn)動。后來物理學(xué)家們證明了電子既像地球一樣公轉(zhuǎn)，也會像地球一樣自轉(zhuǎn)，而且不僅在電子身上表現(xiàn)出這樣的特性，在其他三族物質(zhì)粒子中也表現(xiàn)出類似的特性。也就是在宏觀的世界中，和圍觀的世界中，我們觀察到的規(guī)律是一致的。

在弦理論的背景下，自旋與質(zhì)量和力荷一樣，也關(guān)聯(lián)著弦的振動模式。而且在所有弦振動模式中，一種沒有質(zhì)量的2-自旋，正是引力的標(biāo)志性特性。哪里出現(xiàn)了引力子，哪里就有引力。這也證明了弦具有引力的特性。

超對稱性

1973年，物理學(xué)家韋斯和朱米諾發(fā)現(xiàn)超對稱性，從新構(gòu)造的弦理論中出現(xiàn)的那種新的對稱性，也能用于以點(diǎn)粒子為基礎(chǔ)的理論。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，把超對稱性引入到點(diǎn)粒子的量子場論框架中。隨著80年代中葉超弦理論的復(fù)蘇，超對稱性又在原理發(fā)現(xiàn)它的背景下出現(xiàn)了。超對稱性的出現(xiàn)，讓我們解決了包括費(fèi)米子振動模式問題，也實(shí)現(xiàn)了引力的量子理論，超對稱性與弦理論的融合，從而實(shí)現(xiàn)了四種自然基本力在弦理論中的大統(tǒng)一。

1985年，弦理論引發(fā)了大量物理學(xué)家的熱情，有人發(fā)現(xiàn)超對稱性其實(shí)可以通過5中不同的方式進(jìn)入弦理論。每種方式都能生成成對的玻色子和費(fèi)米子振動模式，但這些粒子對的具體性質(zhì)和理論有很多巨大差異。但是一個大統(tǒng)一的理論有五種不同的形式，這給物理學(xué)家?guī)Я诵乱惠喌膯栴}。

看不見的維

弦理論解決了百年科學(xué)家的一個重大的矛盾，也就是量子力學(xué)和廣義相對論的矛盾。但是它也徹底動搖了物理學(xué)的基礎(chǔ)，甚至是宇宙的維度。

愛因斯坦認(rèn)為宇宙是由時間和空間的思維構(gòu)成的。為了確定宇宙中的一件事情，我們應(yīng)該確定它是什么時間，在什么三維空間的地方發(fā)生的。這是宇宙基本特性。然而1919年，一位波蘭的數(shù)學(xué)家卡魯扎向愛因斯坦寫了一封信，向這一基礎(chǔ)理論提出了挑戰(zhàn)，認(rèn)為宇宙可能不是四維的。超過思維的空間完全超出了我們的想象。它是如何解釋的？

想象一根幾百英尺長的水管橫過一道峽谷，從幾百米外看，就像下圖1中的樣子。在這么遠(yuǎn)的距離上，你很容易看到水管是一根長長的展開的線，如果沒有特別好的視力，你很難判斷它有多粗。從遠(yuǎn)處看，如果一只螞蟻在水管上，你想它只能在一個方向，即順著水管方向爬行。誰問你某一時刻螞蟻的位置，你只需要告訴他一個數(shù)：螞蟻離水管左端（或右端）的距離。這個例子的要點(diǎn)是，從幾百米以外看，長長的一根水管就像是一維的東西。

實(shí)際上我們知道水管是有粗細(xì)的。從幾百米以外你可能不容易看清，但拿一只雙筒望遠(yuǎn)鏡，你可以看得很真切，原來水管是圖2的樣子。在望遠(yuǎn)鏡的鏡頭里，你還看到有只螞蟻爬在管子上，能朝兩個方向爬行。它可以順著管子，左右爬行，這一點(diǎn)我們已經(jīng)知道了；它還可以繞著管子，沿順時針或反時針方向爬行。現(xiàn)在你明白，為確定某一時刻小螞蟻在哪兒，你必須告訴兩個數(shù)：它在管子的什么長度以及它在管圈的什么地方。這說明水管的表面是二維的。

從遠(yuǎn)處看，花園的澆水管就像是一維的。走近來看，水管的第二維就顯現(xiàn)出來了——管壁上環(huán)繞管道的那一維。

不過，那兩維卻有很明顯的不同。沿著管子伸展方向的一維很長，容易看到，繞著管子的那一圈很短，“卷縮起來了”，不容易發(fā)現(xiàn)。為看清圓圈的那一維，你得用更高的精度來看這根管子。

這個例子強(qiáng)調(diào)了空間維的一點(diǎn)微妙而重要的特征：空間維有兩種。它可能很大，延伸遠(yuǎn)，能直接顯露出來；它也可能很小，卷縮了，很難看出來。當(dāng)然，在這個例子里你用不著費(fèi)多大力氣就能把“卷縮起來的”繞管子的小圓圈兒揭露出來，那只需要一副望遠(yuǎn)鏡就行了。不過，假如管子很細(xì)——像一根頭發(fā)絲兒或毛細(xì)管——要看清那卷縮的維就不那么容易了。

后來1926年，數(shù)學(xué)家克萊因把它說的更清晰和具體，他認(rèn)為：我們的宇宙的空間結(jié)構(gòu)既有延展的維，也有卷曲的維。也就是說，我們的宇宙有像水管在水平方向上延伸的、大的、容易看到的的維度，也有像水管橫向的圓圈那樣的卷曲的維度，這些維度非常小，以至于我們很難觀察到。結(jié)合當(dāng)時最新的量子理論，他們認(rèn)為，這些卷曲的維度的大小可能小到普朗克長度，是實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。此后，物理學(xué)家把這種可能存在的額外小空間維的思想稱之為：卡魯扎-克萊茵理論。

同時，卡魯扎的猜想最大的驚喜并不是宇宙的多維度可能，而是根據(jù)他的理論，將引力和電磁力這兩種毫不相關(guān)的力聯(lián)系起來了。他的理論指出，兩種力都伴隨著空間結(jié)構(gòu)的波動，引力在我們熟悉的3維空間中波動，而電磁力則在新的卷曲空間中蕩漾。在很長一段時間，愛因斯坦和物理學(xué)家都認(rèn)可了這種猜想，但后來，克萊茵發(fā)現(xiàn)它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的矛盾，例如把電子納入理論所預(yù)言的質(zhì)量與電荷的關(guān)系，大大偏離了觀察的數(shù)值。因此，在此后很長一段時間，宇宙多維理論變成了一個邊緣理論。

多年以后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將多維理論和引力和超對稱性結(jié)合起來，提出了高維超引力，從而將量子力學(xué)和廣義相對論融合起來，緩和了它們之間的矛盾。但是物理學(xué)家們還是覺得缺少了一個基本的線索將它們縫合在一起，1984年，這個線索出現(xiàn)了。那就是：弦。

90年代中期，惠藤根據(jù)他本人和一些物理學(xué)家的結(jié)果，提出了一個驚人的理論：弦理論實(shí)際上需要十一維度，也就是十維度的空間加上一維度的時間，關(guān)于這個結(jié)論，我們在稍后會詳細(xì)闡述原因。根據(jù)宇宙大爆炸理論，我們可以想象，在大爆炸一開始，三維的空間和一維的時間被展開，一直膨脹到我們今天的尺度，但是其余的空間維度仍然卷縮在一個非常小的尺度中沒有展開。

也有一些物理學(xué)家提出，有10維的空間維度，是否存在更多維度的時間呢？這是一個大膽的假設(shè)。未來也許有新的理論誕生，時間維度將在其中扮演更多有趣的角色。

量子幾何

19世紀(jì)德國著名物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家黎曼的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)，描述了任意維彎曲空間的幾何方法，是廣義相對論的數(shù)學(xué)靈魂。廣義相對論斷言宇宙的彎曲性質(zhì)就是由黎曼的幾何描述的。但是按照量子力學(xué)，認(rèn)為這樣的幾何方法只能描述大尺度上的宇宙，在普朗克長度下宇宙，應(yīng)該是一種新的幾何方法才能適用。而這種幾何框架就是我今天要講的：量子幾何。

與黎曼幾何不同，現(xiàn)在的弦理論還找到不到與之對應(yīng)的幾何方法，因?yàn)樵谟钪嫖锢韺W(xué)中，我們依然把星系當(dāng)作一個個點(diǎn)，因?yàn)樗麄兊拇笮∨c整個宇宙比起來是小的可憐的。因此黎曼的幾何學(xué)在大尺度的宇宙上適用的。但是在弦理論下，宇宙是由一根根弦（線圈）而不是點(diǎn)構(gòu)成的，因此在這個微觀尺度上，黎曼的幾何學(xué)就不適用的了。

當(dāng)?shù)匚锢韺W(xué)普遍的認(rèn)可，宇宙始于150億年前的一次爆炸，但是當(dāng)前的宇宙是還在不斷膨脹還是收縮呢？這是一個讓物理學(xué)家迷惑的問題。因此他們將宇宙的密度作為一個衡量的標(biāo)準(zhǔn)，如果宇宙的平均密度超過每立方厘米十萬億億億分之一克的臨界密度（相當(dāng)于宇宙中每立方米中有5個氫原子），那么就有足夠大的引力將穿透宇宙，將宇宙從膨脹中拉回來，也就是，只要超過這個密度，宇宙就會開始收縮。如果密度小于這個密度，宇宙引力就會很弱，宇宙就將永遠(yuǎn)膨脹下去。

但我們通常認(rèn)為，宇宙的密度應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個密度，當(dāng)前地球上任意一個物體的密度都要大于這個值，但是，物質(zhì)就像金錢一樣，會朝某些地方聚集，整個宇宙中大部分是真空區(qū)域。就像我們不能拿比爾蓋茨的財(cái)富作為全球財(cái)富的指標(biāo)一樣。

天文學(xué)家通過仔細(xì)研究星系在空間中的分布，結(jié)果宇宙的密度要比臨界值小很多，按理說宇宙應(yīng)該還是在不斷膨脹的。但研究發(fā)現(xiàn)，有足夠的證據(jù)證明宇宙是充滿暗物質(zhì)的，這些暗物質(zhì)不參與恒星能源的核聚變，所以不會發(fā)光，我們無法觀察到。所以具體宇宙的密度是多少，我們今天還不清楚，因此，宇宙是在膨脹還是在收縮我們也不清楚。

如果我們假設(shè)今天的宇宙密度大于臨界值，那么有一天整個宇宙將重新收縮成為一個點(diǎn)，而且收縮的速度應(yīng)該是不斷加大的。最終宇宙將回到它的原始狀態(tài)。但是按照弦理論，宇宙在任意空間維度上都不可能收縮到普朗克長度以下，而且弦理論還發(fā)現(xiàn)宇宙應(yīng)該有一個極限的小尺度，因?yàn)楫?dāng)卷縮的空間向著比普朗克長度更小的尺度收縮時，弦會化解這樣的收縮，把空間幾何扭轉(zhuǎn)過來。所以，我們可以得出這樣一個結(jié)論：當(dāng)宇宙空間收縮到普朗克長度時，宇宙又會重新開始膨脹，直到密度到達(dá)一個臨界值，宇宙又開始重新收縮，如此往復(fù)。

在弦理論中，弦的能量有兩個來源：振動和纏繞。這兩者對弦的能量貢獻(xiàn)是不同的，但是在一個弦內(nèi)，它們是互為反比的。也就是一個高纏繞的弦比如有低振動，一個高振動的弦比如有低纏繞。所以他們的總能量是一樣。

尋找M理論

在討論M理論之前，讓我們簡單回顧之前的內(nèi)容。20世紀(jì)80年代中期，第一次弦理論革命后，物理學(xué)家構(gòu)造了5個不同的弦理論，它們包括：I型、雜化O型、雜化E型、IIA型、IIB型，而且在微擾論的近似框架下，這些理論顯得各不相同。但近似方法只是在弦理論的耦合常數(shù)小于1時才適用，而且物理學(xué)家們在研究了每一個理論所有可能的耦合常數(shù)值下的情況時，小于1弱耦合和大于1的強(qiáng)耦合，但是傳統(tǒng)的微擾法對任何一個理論的強(qiáng)耦合特征都不起作用。最近，物理學(xué)家們借助超對稱性的力量學(xué)會了如何計(jì)算一個弦理論的某些強(qiáng)耦合性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)雜化O型弦的強(qiáng)耦合性質(zhì)似乎與I型弦的弱耦合性質(zhì)是完全相同的，反過來也是這樣。而且另外兩個弦理論也滿足這樣的情況。這是一個驚人的發(fā)現(xiàn)。

經(jīng)過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，直到1995年惠藤發(fā)表了關(guān)于11維的超引力的演說，標(biāo)志著“第二次弦理論革命”到來，惠藤論證說，如果從IIA型弦出發(fā)，把它的耦合常數(shù)從遠(yuǎn)小于1增大到遠(yuǎn)大于1，那么我們所能分析的物理有一個低能的近似，那就是一個11維的超引力。簡單講，1995年惠藤證明了，11維宇宙的存在。那么11維的理論究竟是什么呢？在低能（比普朗克能量比）條件下，惠藤等人指出，人們忽略已久的11維超引力量子場論就是它的近似。但在高能量下，我們?nèi)绾蚊枋鲞@個理論呢？這個問題至今還在研究中。不管11維理論是什么，惠藤暫時把它叫作：M理論。M理論是一種結(jié)合了5種超弦理論和11維空間的超引力理論的終極理論，也是弦理論的最新一次延伸，對弦理論具有革命性的影響。因此惠藤也被作者稱之為可以和愛因斯坦并列的物理學(xué)家，被美國《生活》雜志評選為二戰(zhàn)后排名第六的“最有影響力的人物”。

同弦論一樣，M理論的關(guān)鍵概念是超對稱性。所謂超對稱性，是指玻色子和費(fèi)米子之間的對稱性。玻色子是以印度加爾各答大學(xué)物理學(xué)家玻色(S.N.Bose)的名字命名的；費(fèi)米子是以建議實(shí)施曼哈頓工程的物理學(xué)家費(fèi)米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整數(shù)自旋，而費(fèi)米子具有半整數(shù)自旋。相對論性量子理論預(yù)言，粒子自旋與其統(tǒng)計(jì)性質(zhì)之間存在某種聯(lián)系，這一預(yù)言已在自然界中得到令人驚嘆的證實(shí)。

在超對稱物理中，所有粒子都有自己的超對稱伙伴。它們有與原來粒子完全相同的量子數(shù)(色、電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)等)。玻色子的超伙伴必定是費(fèi)米子；費(fèi)米子的超伙伴必定是玻色子。盡管尚未找到超對稱伙伴存在的確切證據(jù)，但理論家仍堅(jiān)信它的存在。他們認(rèn)為，由于超對稱是自發(fā)破缺的，超伙伴粒子的質(zhì)量必定比原來粒子的大很多，所以才無法在現(xiàn)有的加速器中探測到它的存在。

局部超對稱性，還提供將引力也納入物理統(tǒng)一理論的新途徑。愛因斯坦廣義相對論，是根據(jù)廣義時空坐標(biāo)變換下的某些要求導(dǎo)出來的。在超對稱時空坐標(biāo)變換下，局部超對稱性則預(yù)言存在“超引力”。在超引力理論中，引力相互作用由一種自旋為2的玻色子(引力子)來傳遞；而引力子的超伙伴，是自旋為3/2的費(fèi)米子(引力微子)，它傳遞一種短程的相互作用。

在M理論體系中，時間分為兩種，一種是我們世俗意義上的時間（即現(xiàn)行宇宙對人類意義上的時間）。還有一種被定義為“虛時間”，虛時間沒有所謂的開端和終結(jié)，而是一直存在的時間，是用于描述超弦的一條無矢坐標(biāo)軸。

M理論認(rèn)為能量在自身維度下不守恒，能量會在自身綺翹中逃逸到其他膜，而弦分為開弦和閉弦，引力子弦與另三種弦不同，是一個自旋為2的玻色子,理論中被定義為自由的閉弦，可以被傳播到宇宙膜外的高維空間以及其它宇宙膜，故能量場在自身維度（現(xiàn)行宇宙空間）下逃逸了更多。

在M理論中存在無數(shù)平行的是膜，膜相互作用碰撞導(dǎo)致產(chǎn)生四種基本粒子，產(chǎn)生電磁波和物種，這就是宇宙大爆炸的原因。

從弦/M理論看黑洞

如果沒有引力的量子力學(xué)體系，我們不可能認(rèn)識發(fā)生在宇宙大爆炸時刻和統(tǒng)治著黑洞內(nèi)部的那些極端的物理?xiàng)l件。隨著弦理論的發(fā)現(xiàn)，我今天有希望揭開這些深藏的秘密，今天的內(nèi)容，我們將從弦理論和M理論來認(rèn)識黑洞和宇宙的起源。

黑洞是一種理論預(yù)言的天體，是空間中的強(qiáng)引力區(qū)域，其逃逸的速度等于光速，因此不會有光輻射逸出而得名。黑洞具有一個封閉的視界，外來的輻射或者物質(zhì)可以進(jìn)入視界，但是視界內(nèi)人輻射和物質(zhì)不能逃逸出去。

黑洞和基本粒子看起來是完全不一樣的兩樣?xùn)|西。黑洞我們常常描述為一個無限大的物體，而基本粒子則是一個無限小的物體。然而，物理學(xué)家惠勒發(fā)現(xiàn)任何兩個黑洞有相同的質(zhì)量、力荷和自轉(zhuǎn)速度。基于這些特性，一些物理學(xué)家猜想。黑洞可能本來就是一個巨大的基本粒子。

在弦理論中，當(dāng)一個卡-丘空間經(jīng)過空間破裂錐形變換時，原來的大質(zhì)量黑洞會越來越輕，最后轉(zhuǎn)化成一個沒有質(zhì)量的粒子，就像一個零質(zhì)量的光子。也就是一根以某種形式振動的弦，這樣，弦理論將黑洞和基本粒子直接聯(lián)系在一起。

黑洞有熵嗎？

黑洞里是無序還是有序的呢？這個問題要涉及到黑洞熵。眾所周知，熵是一個物理學(xué)上用來描述無序和隨機(jī)的度量值。1970年，物理學(xué)家提出了驚人的思想：黑洞可能有熵，而且量還很大，也就是，黑洞中是高度的無序狀態(tài)。他認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入黑洞時，它的熵會充分增大，足以抵消我們看到的黑洞外熵的減少。后來經(jīng)過一系列論證，多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為貝克斯坦的思想是不可能正確的，因?yàn)楹诙此坪醣驹撌钦麄€宇宙中最有序、攜帶電荷和最有組織的事物。

黑洞有多黑？

黑洞的逃逸速度等于光速，所有進(jìn)入黑洞的事物將不會逃逸出去。所以，可以想象黑洞當(dāng)然是黑的，不會發(fā)出任何東西。另外，霍金認(rèn)為，如果黑洞是無熵的，那么被仍進(jìn)去的事物的熵就會消失。不過1974年，霍金發(fā)現(xiàn)，黑洞并不完全是黑色的。他認(rèn)為黑洞是以量子力學(xué)的方式發(fā)出輻射，黑洞的引力可以將能量注入虛光子，就是說能把兩個粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開，使其中一個掉入黑洞。但是另外一個粒子則可以從黑洞中吸收能量和動力，從而飛離黑洞。霍金認(rèn)為，如果從遙遠(yuǎn)的地方觀察黑洞，可以看到一些虛光子對分裂的最終結(jié)果是從黑洞中發(fā)射出一個光子，這樣說明其實(shí)黑洞并不是完全黑的。另外，霍金發(fā)現(xiàn)，黑洞其實(shí)還是溫度的，雖然溫度非常低，溫度大約比絕對零度高一億分子一度，而大質(zhì)量的黑洞的溫度可以達(dá)到百萬分之一度以下，同時也發(fā)現(xiàn)了黑洞熵的存在。

但是，黑洞至今還有一些未解之謎，一個是關(guān)于黑洞決定論概念的，另外一個是關(guān)于黑洞中心點(diǎn)的時空本性的，有科學(xué)家認(rèn)為一個黑洞中心可能隱約地連接著另外一個宇宙的入口，簡單說就是，我們的時間在哪里結(jié)束，相連的另外一個宇宙的時間就從哪里開始。這兩個問題太過于抽象，這里就不展開了。

宇宙學(xué)的沉思

人類自古以來就渴望認(rèn)識宇宙的起源。也許沒有哪個問題像這樣超越文化和時代分隔，它喚起祖先的想象，也引發(fā)今天宇宙學(xué)家的沉思。

人口渴望解釋為什么會有一個宇宙，它是如何成為我們今天看到的樣子，它是怎么演化的？今天人們接受的宇宙學(xué)理論，認(rèn)為宇宙在最初的瞬間經(jīng)歷過最極端的條件：巨大的能量、極高的溫度和極大的密度。我們的宇宙源于150億年前的一次大爆炸。真的是這樣嗎？

宇宙大爆炸的理論起源于愛因斯坦完成廣義相對論的15年后。弗里德曼發(fā)現(xiàn)了宇宙從一個無限壓縮的狀態(tài)爆炸出來的，而且現(xiàn)在仍然處于爆炸引起的膨脹中。5年以后，哈勃望遠(yuǎn)鏡通過觀察了幾十個星系，證實(shí)了宇宙仍然處于膨脹之中。

讓我們來簡單回顧一下宇宙大爆炸的過程：

宇宙大爆炸后的10的負(fù)43次方秒，普朗克時間形成，宇宙的三維空間形成，其余的維度還保持在原來的普朗克尺度里。

隨后時間膨脹、冷卻、溫度下降，大約十萬分之一秒后，夸克可以三個成團(tuán)聚集在一起，形成了質(zhì)子和中子。

百分子一秒后，周期表里最輕的一些元素的核也夠條件從冷卻的粒子等粒子體重凝結(jié)出來。

接下來3分鐘里，宇宙逐漸冷卻到10億開，出現(xiàn)最多的核是氫和氦，還有一些鋰。這就是所謂的原始核合成時期。

接下來幾十萬年，也沒發(fā)生什么特別的事情。宇宙繼續(xù)膨脹、溫度繼續(xù)冷卻。當(dāng)溫度降低到幾千開時，電子流慢慢流向原子核，原子核捕捉了它們，第一次形成了電中性的原子。這是一個重要的時刻，大體上說，這一刻開始，宇宙變得透明了。宇宙充滿了帶點(diǎn)的等離子體，有的帶正電，如原子核，有的帶負(fù)電，如電子。只與帶電體發(fā)生相互作用的光子，落在深深的帶電粒子的汪洋里，不停歇地碰撞擠壓，要么被偏轉(zhuǎn)，要么被吸收，慢慢地宇宙開始從混濁變得清晰。

約10億年以后，宇宙的基本從沸騰的爆炸狀態(tài)安靜下來，星系、恒星和行星終于開始一個個從原初元素的引力束縛堆里產(chǎn)生出來。

在大爆炸150億年后的今天，我們也來了，在驚嘆宇宙壯麗的同時，也驚訝我們自己能一點(diǎn)點(diǎn)從樹立起一個合理的而且經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的宇宙起源理論。

大爆炸理論看似精確和嚴(yán)密，但是還是有些問題有待解決，比如為什么宇宙的空間溫度都是相同的，相隔如此遙遠(yuǎn)的空間區(qū)域中沒有辦法實(shí)現(xiàn)能量傳遞和交換，解釋不了為什么它們具有完全相同的溫度。物理學(xué)家把這個解釋不了宇宙大范圍的溫度均勻性的問題稱之為：視界問題。視界問題的本質(zhì)是，為了讓宇宙中任意兩個遙遠(yuǎn)距離的區(qū)域靠近，我們必須回到時間的開始。而且物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在宇宙正處于暴脹之中，形成了暴脹的宇宙學(xué)模型。

暴脹宇宙一種更新版的大爆炸理論，認(rèn)為宇宙非常年幼時，曾經(jīng)過一個暴脹階段。地點(diǎn)不同，溫度會有所不同。但是如果只考慮初期宇宙中極小的一塊區(qū)域，則可以認(rèn)為這個小區(qū)域具有均勻的溫度。如此小的一塊區(qū)域，在它還來不及非均勻化的一瞬間如果就急劇膨脹為很大的宇宙的話，那么在這個宇宙中的溫度自然也就是基本均勻的。按照這種思路，那么，在現(xiàn)在的宇宙中觀測到來自宇宙一切方向的背景輻射所對應(yīng)的溫度基本一致，也就不足為怪。

不管是標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸理論還是暴脹的宇宙理論，我們都沒辦法解釋事物到底是怎么開始的，我們也不知道我們的宇宙學(xué)理論是否合理。關(guān)于弦理論和M理論，我們今天的認(rèn)識還非常膚淺，不能決定一個“包羅萬象”的理論，也不能決定它自己的宇宙學(xué)初始條件。當(dāng)然也就不能把它提到物理學(xué)定律的高度。我們還將繼續(xù)探尋宇宙的終極理論到底是什么。我們的宇宙有可能是一個巨大天空的一個小部分，汪洋大海宇宙島中的一個，因此也有科學(xué)家提出多重宇宙的概念，但是多重宇宙的假設(shè)至少可以讓我們更加寧靜，別總想著去解釋我們的宇宙為什么會是這個樣子。更激進(jìn)的思想來自于賓夕法尼亞州立大學(xué)的斯莫林，他提出每一個黑洞都是一粒新宇宙的種子，新宇宙從種子爆發(fā)出來，但永遠(yuǎn)藏在黑洞視界的背后。

但是不管怎樣，引力的量子理論經(jīng)過超弦理論的發(fā)展，為我們帶來了信心和希望，我們相信，經(jīng)歷千辛萬苦之后，我們一定能帶著某些最深沉的問題的答案，重新走出來。

二十一世紀(jì)的統(tǒng)一

百年之后，超弦理論，或者說現(xiàn)在的M理論會發(fā)展到什么樣子，我們現(xiàn)在無從得知。也許那時候，我們會發(fā)現(xiàn)超弦理論只是我們?nèi)f里長征的第一步。未來我們還會遇到更多從未見過的思想和概念。

前面我們講到，第二次超弦革命給整個物理學(xué)世界帶來了巨大的震撼，但是多數(shù)弦理論家認(rèn)為，我們還需要經(jīng)歷第三次、第四次那樣的理論革命，才能徹底解放弦理論的力量，確立它終極理論的地位。今天的內(nèi)容，讓我們將把目光投向弦理論的未來。

過去百年里，我們明白了一個大道理，那就是物理學(xué)定律總聯(lián)系著對稱性。狹義相對論的基礎(chǔ)是相對性原理所賦予的對稱性——即常速運(yùn)動的觀測者之間的對稱性。表現(xiàn)在廣義相對論的引力的基礎(chǔ)是等效原理——相對性原理向所有觀測者（不論他們的運(yùn)動狀態(tài)有多復(fù)雜的推廣）。另外，強(qiáng)力、弱力和電磁力的基礎(chǔ)是更加抽象的規(guī)范對稱性。

等效原理帶來了廣義相獨(dú)立，規(guī)范對稱引出了引力以為的三種力，那么弦理論本身是不是有更大原理的比如結(jié)果呢？當(dāng)我們展望弦理論的下一個階段時，我們的目標(biāo)變成了去尋找那個“能不可避免地帶來一切”的原理，整個理論都必然從它那里噴涌而出。

時間和空間是什么？

我們在前面大量使用了時間和空間的概念，也提出了宇宙是10維空間加上1維時間的11維的。空間和時間是不可分割的，它們?yōu)槭裁磿豢椩谝黄穑恳驗(yàn)槲矬w在空間的運(yùn)動會影響它的時間歷程。牛頓認(rèn)為時間和空間是構(gòu)成宇宙的永恒不變的元素。但也有科學(xué)家提出質(zhì)疑，他們聲稱，空間和時間不過是為了方便概況宇宙中的物體與事件間的關(guān)系的記錄本而已。愛因斯坦的廣義相對論也拋棄了絕對時間和空間的概念。后來的弦理論提出，引力子這個最小的引力單元是一種特別的振動模式的弦。正如電磁場由無數(shù)光子組成一樣，引力場由無數(shù)引力子組成，也就說，無數(shù)跟弦在像引力子模式那樣振動。另外，引力場鎖在彎曲的時空結(jié)構(gòu)里，所以，我們自然要將時空結(jié)構(gòu)本身與大量經(jīng)歷著相同序列的引力子振動模式的弦等同起來。簡而言之，弦編織了宇宙的時間和空間結(jié)構(gòu)。

在我們以前討論過的弦理論的特征中，下面3個也許是最重要、最應(yīng)該牢記的。

第一，引力和量子力學(xué)是宇宙如何表現(xiàn)的最主要內(nèi)容，任何一個可能的統(tǒng)一理論都必須包括它們。弦理論實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

第二，通過物理學(xué)家在過去100年的研究，還揭示了其他的重要思想——許多都被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了——它們對我們認(rèn)識宇宙起著關(guān)鍵作用。舉幾個例子，這些思想包括，自旋、物質(zhì)粒子的族結(jié)構(gòu)、信使粒子、規(guī)范對稱、等效原理、對稱破缺和超對稱性，等等。所有這些概念都自然出現(xiàn)在弦理論中。

第三，在傳統(tǒng)理論如標(biāo)準(zhǔn)模型中，有19個可以調(diào)整的參數(shù)來保證理論與實(shí)驗(yàn)測量的一致。弦理論則不同，它沒有可調(diào)的參數(shù)。從原則上講，它蘊(yùn)含的一切都是完全確定的——它們應(yīng)該提供絕不含糊的檢驗(yàn)，以判別理論是對還是錯。

在未來10年，我們可以樂觀地期待，在日內(nèi)瓦的巨型量子對撞機(jī)投入運(yùn)行之前，弦理論的認(rèn)識會取得巨大的發(fā)展，能在發(fā)現(xiàn)超對稱伙伴粒子之前做出一些關(guān)于它的具體預(yù)言。那么證實(shí)那些預(yù)言將是科學(xué)史上不朽的篇章。

我們能解釋一切宇宙的規(guī)律嗎？愛因斯坦很多年前提出：宇宙最不可理解的事情，就是它是可以理解的。在飛速進(jìn)步的時代，動人的發(fā)現(xiàn)很容易使我們盲目地信任自己對宇宙的理解力，但理解力或許真的有它的盡頭，也許我們需要接受，當(dāng)我們達(dá)到宇宙最深層的科學(xué)認(rèn)知后，宇宙依然有一些我們不能解釋的事情，也許那個解釋宇宙的終極理論永遠(yuǎn)也不會出現(xiàn)。