序

爱因斯坦在生命的最后30年里一直在寻找所谓的统一场论——一个能在单独的包罗万象的协和的框架下描绘自然力的理论。激励爱因斯坦的不是我们常想的那些与科学事业相关的东西，例如，为了解释这样或那样的实验数据。实际上，驱使他的是一种热忱的信念：对宇宙的最深刻认识将揭示一个最大的宇宙奇迹，那就是，它所依赖的基本原理是那么简单而有力。爱因斯坦渴望以前所未有的清晰来表现宇宙的活动，让每一个人都敬畏它那美妙动人的旋律。

爱因斯坦从未实现他的梦，主要原因是那底牌还没看清楚：那时，自然力和物质的许多基本特征我们还不知道，或者知之甚少。但在过去的半个世纪，每一代新生物理学家——经历无数的曲折，走过数不清的死胡同——都不断在前辈的基础上添砖加瓦，构筑起越来越完整的宇宙行为知识体系。当年，爱因斯坦满怀热情追求统一理论，却空手归来；如今，物理学家相信他们终于发现了一个框架，能把这些知识缝合成一个无缝的整体——一个单一的理论，一个原则上能描述一切现象的理论，这就是超弦理论，我们这本书的主题。

我写《宇宙的琴弦》，是为了把物理学研究前沿的惊人发现带给广大的读者，特别是那些没有经过数学和物理学训练的人。在过去的几年里，我开过一些超弦理论的普及演讲，发现很多人都渴望了解当代研究说了哪些关于宇宙定律的东西，那些定律如何要求重建一个不朽的宇宙概念，在对终极理论追求的背后，藏着哪些挑战。这本书解释了爱因斯坦、海森伯以来的主要物理学成就，描述了那些发现是如何在我们时代的科学突破中四处开花结果的，我希望这能丰富读者的知识和满足读者的好奇心。

我也希望《宇宙的琴弦》能令那些有一定科学修养的读者感兴趣，对自然科学的学生和老师来说，我希望这本书不但能具体提供一些现代物理学的基本材料，如狭义相对论、广义相对论和量子力学；同时也能把从四面八方走来寻求统一理论的研究者们兴奋和激动之情传给大家。对于热心的科普读者，我向他们解释了近10年来我们在认识宇宙的过程中获得的振奋人心的进展；对于其他学科领域的同事，我希望这本书能给他们一种忠实而平静的感觉，使人了解为什么弦理论家会那么津津乐道追求终极自然理论的那么一点点进步。

超弦理论撒开了一张大网。它是一个深广的主题，融合着许多重要的物理学发现。这个理论统一了大与小的定律，大到统领宇宙的尽头，小到深入物质的核心。我们能通过许多不同的道路走近它。我选择的是我们不断演化着的空间和时间的认识，我认为这是一条特别扣人心弦的发展道路，它扫荡旧观念，引来了许多迷人的新发现。爱因斯坦向世界证明空间和时间在以一种陌生的令人惊讶的方式活动着。如今，前沿的研究已经通过许多卷缩在宇宙纤维里的隐藏维度把他的发现综合进量子宇宙——那些维度的复杂几何很可能是打开某些空前幽深的问题的钥匙。我们将看到，尽管有些概念令人难以捉摸，但还是可以通过实际的类比来把握它们。理解了这些思想，一个惊人的革命性的宇宙图景将展现在面前。

贯穿全书，我都紧扣科学，同时也常常通过类比和比喻，让读者对科学家如何形成当今的宇宙概念有一个直观的认识。尽管我避开了专业术语和数学方程，但因为涉及的新概念太多，为了能完全跟上概念的发展，读者可能还得不时停下来，想想这儿，想想那儿。第四部分的几章（集中谈最新进展）比其他部分更抽象；我会小心地先警告读者，内容结构也经过了适当安排，以便读者可以匆匆浏览或者跳过它们，而不会对全书的逻辑有太大的影响。为便于读者记住正文里引进的概念，我编了一个科学名词解释。当然，马虎的读者可能会完全跳过书后的注释，但认真的读者会在注释中看到正文的一些观点被扩充了，简化的思想也更清晰了，经过数学训练的人还能在那儿发现一些更富专业情趣的东西。

我在写这本书的过程中得到过许多人的帮助，我要感谢他们。David Steinhardt以极大的耐心阅读了原稿，以编辑的眼光慷慨地提出了很好的建议，并给了我极大的鼓励。David Morrison, Ken Vineberg, Raphael Kasper, Nicholas Boles, Steven Carlip, Arthur Greenspoon, David Mermin, Michael Popowits和Shani Offen认真读了原稿，具体谈了读后的感觉，提出了令本书大为增色的意见。另外还有不少朋友也读过全部原稿，并提出了建议和鼓励，他们是Paul Aspinwall, Persis Drell, Michael Duff, Kurt Gottfried, Joshua Greene, Teddy Jefferson, Marc Kamionkowski, Yakov Kanter, Andras Kovacs, David Lee, Megan McEwen, Nari Mistry, Hasan Padamsee, Ronen Plesser, Massimo Poratti, Fred Sherry, Lars Straeter, Steven Strogatz, Andrew Strominger, Henry Tye, Cumrun Vafa和Gabriele Veneziano。我要特别感谢Raphael Gunner，他在本书写作初期曾提出过很有远见的批评，使它在整体上能有现在的样子；我还要特别感谢Robert Malley，从本书的思考到落笔，他总是在一直激励着我。另外，Steven Weinberg和Sidney Coleman也给了我重要的指导和帮助。我很高兴与下列朋友进行过有益的交流：Carol Archer, Vicky Cassel, Anne Coyle, Michael Duncan, Jane Forman, Wendy Greene, Erik Jendresen, Gary Kass, Shiva Kumar, Robert Mawhinney, Pam Morehouse, Pierre Ramond, Amanda Salles和Eero Simoncelli。我感谢Costas Efthimiou帮我核对事实，寻找资料，还把我的说明正文的草图绘成线条图，而Tom Rockwell又凭他神圣的艺术家的眼光将那些图重新创作出来。我也感谢Andrew Hanson和Jim Sethna，他们曾帮助我准备几幅特殊的图件。

感谢Howard Georgi, Sheldon Glashow, Michael Green, John Schwarz, John Wheeler, Edward Witten，当然还有Andrew Strominger, Cumrun Vafa和Gabriele Veneziano，他们同意我借用和比较他们各人对不同问题的观点。

我也乐意感谢W.W.Norton出版公司的两位编辑，感谢Angela Von der Lippe透彻的眼光和珍贵的建议，感谢Traci Nagle对细节的敏锐和认真的态度。我还要感谢我的著作代理人John Brockman和Katinka Matson，他们一直以专家的眼光指引着本书从开篇走到出版。

我做理论物理研究快20年了，要感谢国家科学基金委员会（NSF）、Alfred P.Sloan基金会和美国能源部的大力支持。我自己的研究主要是超弦理论对我们时空概念的影响，这大概也没有什么可奇怪的；在后面的几章，我谈了一些我有幸参与的发现。尽管我希望读者能够喜欢读这些“内线”材料，但我也意识到他们可能会高估我在超弦理论发展中所扮演的角色。所以我借这个机会来感谢全世界成千的物理学家，感谢他们为追寻宇宙终极理论所做的贡献。由于所选主题的原因，也因为篇幅的限制，还有很多人的工作没能在书里提到，我向所有那些作者说声抱歉。

最后，我衷心感谢Ellen Archer坚定不移的爱与支持，没有她，这本书是不可能写出来的。

布莱恩·格林