1　超弦：万物理论

一个新的理论正动摇现代物理学的基础，它迅速地用美丽优雅且具有突破性的新数学颠覆我们珍视的和过时的宇宙观。尽管关于这个理论尚存在一些未解决的问题，但我们仍能感受到物理学家们的兴奋；世界各地的顶尖物理学家都宣称——我们正在见证一种新物理学的起源。

这个理论被称为“超弦”理论。过去10年，物理学的一系列的惊人突破促使它发展至高潮，它表明我们也许无限接近了统一场论：一个全面的联合宇宙中所有已知力的数学框架。

超弦理论的支持者甚至声称，“这个理论或许是终极‘宇宙理论’”。

尽管物理学家在对待新思想时通常很小心，但普林斯顿大学物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）却声称，超弦理论将在未来50年主导物理学世界。他最近说，“超弦理论是一个奇迹，一个贯穿始终的理论”。在一次物理会议上，他震惊了听众，他宣称我们或许正在见证一场像量子理论诞生那样伟大的物理学革命。他继续补充，“超弦理论可能引起我们对空间和时间的新理解，是自广义相对论以来物理学最戏剧性的理解。”

甚至，那些总是小心避免科学家断言被夸大的科学杂志也将超弦理论的诞生与圣杯的发现相比。科学杂志声称，“这场革命可能不亚于数学革命中实数到复数的过渡。”

该理论的两位创造者，加州理工学院的约翰·施瓦茨（John Schwarz）和伦敦玛丽女王学院的迈克尔·格林（Michael Green）有点武断地将其称为一种万物理论（TOE）。

这种兴奋的核心是，他们认识到超弦理论可以提供一个全面的理论以解释所有已知的物理现象——从星系的运动到原子核内的动力学。该理论甚至对宇宙的起源、时间的开始，多维宇宙的存在做出了惊人的预测。

对物理学家来说，这是个令人陶醉的概念——几千年来仔细研究且痛苦地积累起来的我们物质世界的海量信息终于能被总结在一个理论中。

例如，德国物理学家编纂了一本百科全书《物理手册》，这是一份详尽的工作，总结了世界物理知识。这个手册，实际占据了图书馆的整个书架，代表了科学学习的顶峰。如果超弦理论为真，原则上，这本百科全书包含的全部信息均可由一个单一方程衍生而出。

物理学家对超弦理论特别兴奋，因为它迫使我们改变对物质性质的理解。自希腊化时代以来，科学家们一直认为宇宙是微小的点粒子组成的。德谟克利特创造了原子这个词来描述这些终极的、不可摧毁的物质单位。

然而，超弦理论假设，自然界的最终的建筑块皆由微小的振动弦组成。如果它是正确的，意味着所有物质中的质子和中子，从我们的身体到最远的恒星，皆由弦组成。没人见过这些弦，因为它们太小以至于我们无法观察（它们大约是质子的千亿分之一）。事实上，我们的测量设备太粗糙，看不到这些细小的弦，我们的世界似乎只能由点状粒子构成。

起初，用弦代替点粒子这个概念能简单地解释粒子的多样性和自然界中由粒子交换所产生的力。后来人们发现，超弦理论既全面又优雅，它能简单解释宇宙中为何会有数十亿种不同类型的粒子和物质且具有惊人的不同特征。

超弦理论可以产生一个连贯的、包罗万象的大自然的图片，类似于用一根小提琴弦可“联合”所有的音乐音调和和声规则。历史上，音乐定律是经过数千年的不同乐音的反复研究制定而出。今天，这些多样性的规则能很容易地从一张图片中推导出来，即一根弦可与不同频率共振，每一个不同频率的共振都能产生音阶中独立的音调。振动弦可产生不同的音调，更重要的是，单一振动弦的概念能解释和谐定律。

因此，小提琴弦的物理知识给了我们一个音乐音调的综合理论，并允许我们预测新的和声和和弦。同样，在超弦理论中，人们在自然界中发现的基本力和各种粒子其实只是振动弦的不同模式。例如，重力交互作用是由环形弦的最低振动模式引起的，此弦的较高激发可产生不同形式的物质。从超弦理论的角度看，没有任何力或粒子比其他任何力或粒子更重要。全部粒子都只是振动弦的不同的振动响应。因此，超弦理论作为一个单一的框架，可以在原则上解释为何宇宙中有如此丰富的粒子和原子且具有多样性。

对古代的问题“物质是什么？”的答案变得简单——物质是由粒子组成，粒子是弦的不同的振动模式，如G调或F调。由弦产生的音乐就是物质本身。

世界物理学家对这一新理论如此兴奋的根本原因是，它似乎解决了本世纪最重要的科学问题——如何将自然的四种力结合为一个综合理论。这场巨变的中心是，认识统治我们宇宙的四种基本力实际上是由超弦控制的一个单一的统一力的不同表现形式。

弦论四种力

力是任何能移动物体的东西。例如，磁性是一种力，因为它可使指南针指针旋转。电流是一种力，因为它可让我们的头发竖起。在过去的2000年，我们逐渐意识到宇宙存在四种基本力：重力、电磁力（光）以及两种类型的核力，弱力和强力。（古人认识到的其他力，如火和风，可用这四种基本力解释。）然而，我们宇宙中最大的科学难题之一是，这四种力为何如此不同。过去的50年，物理学家们一直在努力解决如何将它们联合成一幅连贯的画面。

为了帮助你欣赏超弦理论给物理学家们带来的兴奋，我们需要一分钟时间对这些基本力作简单描述，以显示它们的不同。

重力是将太阳系结合在一起的吸引力，它能保持地球和其他行星在自己的轨道上运动并阻止恒星爆炸。在我们的宇宙中，重力是主导力，可延伸数万亿英里，直至最远的恒星。使苹果落地以及保持我们的脚停在地板上的力与引导宇宙中星系运动的力为同样的力。

电磁力将原子固定在一起，它使带负电荷的电子围绕带正电荷的原子核的轨道运行。因为电磁力决定了电子轨道的结构，它也支配着化学定律。

在地球上，电磁力通常很强大，甚至超过重力。例如，通过摩擦梳子或许能将桌子上的纸片吸起。电磁力抵消了纸片向下的重力，在1×10 ^-11 英寸（大致相当于原子核的大小）范围内支配其他的力。

（也许，人们比较熟悉的电磁力的一种形式是光。当原子受到干扰，原子核周围电子的运动变得不规则，电子发射光和其他形式的辐射。以X射线、雷达、微波或光的形式发射的电磁辐射是最纯粹的电磁辐射形式。无线电和电视只是电磁力的不同形式。）

在原子核内，弱（核）力和强（核）力超过了电磁力。例如，强力负责将原子核中的质子和中子结合在一起。在任何原子核中，所有质子都带正电。只是质子在一起，它们间的排斥（电）力会将原子核分裂。因此，强力克服了质子间的排斥力。粗略地说，只有一些元素能在强力（它倾向于将原子核固定在一起）和排斥（电）力（它倾向于撕裂原子核）间保持微妙的平衡，这有助于解释为何自然界只有大约100种已知元素。原子核的质子数超过100个，甚至，强力也难以遏制它们之间的排斥（电）力。

当强大的核力被释放出来，效果可能是灾难性的。例如，当原子弹中的铀核被故意分开，锁在原子核里的巨大能量将以核爆的形式被释放。一枚核弹每磅释放的能量超过炸药中含有能量的100万倍。事实上，强力产生的能量比电磁力控制的化学爆炸的能量大太多。

强力还对恒星发光的原因作了解释。星星是一个巨大的释放核原子的核熔炉。例如，太阳的能量是通过燃烧煤而非核燃料被创造，那么，只会有很小部分的太阳光被产生。太阳会迅速发出微弱的嘶嘶爆裂声，变成煤渣。没有阳光，地球会变冷，地球上的生命终将死亡。因此，没有强力，星星不会发光，不会有太阳，地球上也不会有生命。

如果强力是原子核内部唯一起作用的力，那么，大多数原子核将非常稳定。然而，我们从经验中知道，某些原子核（如铀，有92个质子）的质量巨大，以至于它们会自动分裂，释放出更小的碎块和碎片，我们将这个物理过程称为放射。在这些元素中，原子核是不稳定的和可解体的。因此，必然存在一个更弱的力在起作用，一个控制放射性的力，负责分解非常重的原子核——弱力。

弱力是短暂的且转瞬即逝，我们在生活中并未直接体验过它。然而，我们感受到了它的间接影响。当盖革计数器放在一块铀的旁边，我们听到的测量原子核放射性的咔嗒声是由弱力造成的。弱力释放的能量也可用于产生热量。例如，地球内部的巨大的热量，部分是由地心深处的放射性元素蜕变产生的。反过来，如果这个巨大的热量到达地球表面，可能会引起火山爆发。类似地，核电站核心释放的热量能产生足够照亮一座城市的电力，这也是由弱力（以及强力）产生的。

没有这四种力，生命将不可想象：我们身体里的原子会解体，太阳会爆裂，点燃恒星和星系的原子之火将被扑灭。因此，力的概念是一个古老而熟悉的概念，至少可追溯到艾萨克·牛顿时代。新的想法是，这些力或许只是一种力的不同表现。

日常经验表明，一个物体可以表现为各种形式。将一杯水加热，直到沸腾变为蒸汽。水，通常是液体，可以转变为蒸汽（一种气体），其性质已不同于液体，但它仍然是水。将一杯水冷冻成冰，通过撤出热，我们可以将这种液体变成固体，但它仍然是水。同样的物质，仅是在某些情况下变成了一种新的形式。

另一个更引人注目的例子是，岩石可以转变成光。在特定条件下，一块岩石可以变成巨大的能量（如果这块岩石是铀，能量可表现为原子弹）。因此，物质本身可以表现为两种形式——作为物质物体（铀）或作为能量（辐射）。

科学家们在过去的100年意识到，电和磁是同一个力的不同表现。在过去的25年，科学家才明白，弱力也能被视为同一个力的不同表现。1979年的诺贝尔奖授予了三位物理学家，史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam），他们展示了如何将弱力和电磁力联合成一种力，称“电-弱”力。同样，物理学家现在相信另一种理论，GUT（大统一理论）可以将电弱力与强相互作用联合起来。

不过，物理学家们从未对重力有任何办法。事实上，重力与其他力具有太多的不同，以至于在过去的60年里，科学家们几乎绝望——无法将它和其他力联合起来。尽管量子力学惊人地结合了另外三种力，但它应用于重力时失败了。

丢失的连接

20世纪，诞生了两个凌驾于其他理论之上的伟大理论——量子力学（解释三种亚原子力上取得了巨大成功）；爱因斯坦的引力理论，也称广义相对论。从某种意义上看，这两种理论相互对立——量子力学致力于非常小的世界，原子、分子、质子和中子；相对论控制非常大尺度的物理，宇宙尺度上星星和星系的物理。

对物理学家来说，原则上，我们可以从这两种理论得出人类对物理宇宙的知识总和。但本世纪最大的难题之一是，这两种理论是如此的不相容。事实上，在本世纪，世界上最伟大的思想家将量子力学和广义相对论结合起来的所有尝试全部失败。阿尔伯特·爱因斯坦在他生命的最后30年一直寻求包含重力和光的统一理论，依然以失败告终。

这两个理论都在自己特定的领域里取得了惊人的成功。例如，量子力学在解释原子的秘密时没有对手。量子力学揭开了核物理的秘密，释放了氢弹的能量，解释了从晶体管到激光器每个器件的工作原理。事实上，这个理论非常强，如果我们有足够的时间，我们可以通过计算机预测化学元素的所有性质，而不必进入实验室。然而，尽管量子力学在解释原子世界时取得了巨大成功，但它在试图描述重力时却遭遇了巨大失败。

另一方面，广义相对论在它自己的领域：星系的宇宙尺度取得了巨大成功。黑洞，物理学家认为，这是一颗巨大的垂死恒星的终极状态，广义相对论对此作出了众所周知的预测。广义相对论还预测，宇宙最初是在大爆炸中开始的，它使星系以巨大的速度彼此分离。然而，广义相对论却完全不能解释原子和分子的行为。

因此，物理学家面临着两种截然不同的理论。每种理论都采用了一套不同的数学，且都在自己的领域内做出了惊人的精确预测。同时，它们又非常独立且截然不同。

这好比大自然创造了一个有两只手的人，右手看上去与左手完全不同，功能也不同且独立。对那些坚信自然最终必定简单优雅的物理学家来说，这是一个谜，他们无法接受大自然会以如此怪异的方式运作。

这正是超弦要解决的问题，它能解决这两个伟大理论的结合问题。事实上，量子力学和相对论，是使超弦理论成立的必需。超弦是第一个也是唯一能使量子引力理论有意义的数学框架。这就好像科学家在过去60年里一直试图组装宇宙拼图，突然注意到自己忽视了一个小片——超弦。

比科幻小说还奇怪

通常，科学家是保守的。他们接受新理论的速度较慢，尤其是那些做出的预测有些奇怪的理论。然而，超弦理论做出了任何理论从未提出过的最疯狂的预测。任何有能力将如此多的物理本质浓缩成一个方程的理论都会产生深远的物理后果，超弦理论也不例外。

［1958年，伟大的量子物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）参加了一次物理学家沃尔夫冈·保利（Wolfgang Pauli）所做的演讲。讲演结束时，听众极不赞同，玻尔说，“我们一致认为，你的理论太疯狂。我们之间的分歧在于，它是否能达到足够疯狂。”超弦理论，鉴于它奇异的预测，一定是“够疯狂的”。］

尽管这些预测将在接下来的章节中详细讨论，我仍在这里做了简单提及，让大家看看超弦理论使现实物理看起来似乎比科幻小说还奇怪意味着什么。

多维宇宙

20世纪20年代，爱因斯坦的广义相对论提供了我们的宇宙是如何开始的最好的解释。根据爱因斯坦的理论，宇宙诞生于大约100亿—200亿年前的宇宙大爆炸。宇宙中的所有物质，包括恒星、星系和行星，初期集中在一个超致密的球中。后来，这个球剧烈爆炸，产生了我们当前正在膨胀的宇宙。这个理论与今天人们观察到的事实吻合——当前，所有恒星和星系都在向着离开地球的方向快速远离（由大爆炸的力量推动）。

然而，爱因斯坦的理论存在许多漏洞——为什么宇宙会发生爆炸？大爆炸之前是什么？理论科学家早年就意识到大爆炸理论的不完全性，因为它并未解释大爆炸本身的起源和性质。

难以置信，超弦理论预测了大爆炸以前发生的事情。超弦理论认为，宇宙最初有十个维度，而不是四个维度（三个空间维度和一个时间维度）。之后，这个宇宙在十个维度上非常不稳定，它“破裂”成两块，一个小的四维宇宙从其余部分宇宙剥离开来。类似地，我们可以想象一个肥皂泡沫在慢慢地振动——如果振动足够强，肥皂泡会变得不稳定，分裂成两个或更多更小的肥皂泡。再想象一下，最初的肥皂泡代表十维宇宙，分裂出的较小的肥皂泡代表我们的宇宙。

如果这个理论为真，意味着一定存在一个与我们的宇宙共存的“姐妹宇宙”。这也意味着，我们宇宙之初的分裂是多么剧烈，以至于它创造了我们所知的大爆炸。因此，超弦理论解释，大爆炸是“十维宇宙分裂成两片”这个剧烈转变的副产品。

你不必担心，某天，当你沿着街道走路时会“落入”另一个其他维度的宇宙，仿佛科幻小说的描述。根据超弦理论的说法，另一个多维宇宙已缩小到这样一个程度——一个人类永远无法到达的难以置信的小尺寸（大约原子核大小的千亿分之一）。因此，更高的维度是什么样子，成为了一个学术问题。从这个意义上看，在更高维度之间旅行的前景只有在宇宙起源时才有可能——那时的宇宙是十维的，故而，维度之间的旅行在物理上具有可能。

暗物质

除了多维空间，科幻作家们还喜欢“暗物质”为自己的小说添油加醋，这是一种神秘的物质形式，与宇宙中任何物质的性质皆不同。暗物质是过去预测的，但无论科学家将他们的望远镜和仪器指向天空中的任何地方，他们仍然只发现了大约100种地球上存在的人们熟悉的那些化学元素。甚至，宇宙最远的恒星也是由普通的氢、氦、氧、碳等元素组成。一方面，这让人放心——我们知道，无论我们在外太空旅行到了哪儿，火箭船只会遇到在地球上发现过的化学元素；另一方面，知道外层空间不会有惊喜，这让人失望。

超弦理论可能会改变这一点，因为从一个十维宇宙分裂成更小的宇宙的这个过程或许创造了一种新的物质形式。这种暗物质像所有的其他物质那样有重量，只是不可见（因此得名）。暗物质没有味道，没有气味，甚至最敏感的仪器也检测不到它的存在。如果你能将暗物质抓在手中，你或许会感到它很重，否则它将完全不能被觉察。事实上，测定重量是探测暗物质的唯一方法，它与其他形式的物质没有其他已知的相互作用。

因此，暗物质也可能有助于解释宇宙的谜题之一。如果宇宙中有足够的物质，那么，星系间的引力应该会减缓它的膨胀，甚至逆转导致宇宙收缩。事实上，宇宙是否有足够的物质会导致这种逆转并最终收缩，数据存在冲突——天文学家试图计算可见宇宙中物质的总量，他们发现恒星和星系缺乏足够的物质导致宇宙收缩；其他一些计算（基于计算恒星的红移和光度）则认为，宇宙存在收缩的可能，这也被称为“失踪质量”问题。

如果超弦理论是正确的，那么，它就能解释为什么天文学家在望远镜和仪器中看不到这种形式的物质。此外，如果暗物质理论是正确的，那么，暗物质可能遍及宇宙。（确有可能，暗物质比普通物质更多。）在这方面，超弦理论不仅澄清了大爆炸前发生的事情，还预测了宇宙死亡时可能发生的事情。

超级怀疑论者

当然，任何提出如此大胆预测的理论——用弦代替点粒子以及用十维宇宙代替四维宇宙——都会招致怀疑。虽然超弦理论打开了一幅甚至让数学家都震惊的数学远景，并使全世界的物理学家感到兴奋，但人们或许需要几年甚至几十年才能建造足够强大的机器对这一理论作决定性地检验。同时，在无可辩驳的实验证据出现之前，怀疑论者将继续对超弦理论持怀疑态度，尽管超弦理论如此美丽、优雅，且独一无二。

怀疑论者，哈佛物理学家谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）曾抱怨：“数十个最优秀和最聪明的人经过‘多年的紧张努力’仍未产生一个可以验证的预测，所以，我们似乎不应期待能很快取得结果。”世界著名的荷兰物理学家杰拉德·特·胡夫特（Gerard’t Hooft）在芝加哥郊外的阿尔贡国家实验室发表讲演（他走得更远），他将大张旗鼓炫耀超弦理论比作美国的电视商业广告，“全是广告，内容非常少。”

的确，正如普林斯顿大学物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）曾警告的那样，就通常所说的寻找统一描述四种力的单一数学模型而言，“物理学领域里充斥着统一理论的尸体。”

但超弦理论的捍卫者指出，尽管能证明这一理论的决定性的实验或许还需要等待几年时间，但今天尚无实验与此理论矛盾。

事实上，这一理论没有对手：目前，没有其他方法可将量子理论和相对论结合起来。一些物理学家对寻找统一理论的新尝试持怀疑态度，因为过去有很多尝试遭受了失败，但这些尝试失败正是因为它们无法将引力和量子理论结合起来。超弦理论似乎解决了这个问题，它没有患上置它的祖先于死地的疾病。鉴于此，超弦理论是迄今为止最流行的能真正统一所有力的候选理论。

历史上最大的科学机器

物理世界正接近对弱力、电磁力、强力，可能还有引力相互作用进行统一的描述，这在某些方面促进了需要创造强大机器检验这些理论的动力，为证明这些理论不是无聊的猜测而是国际社会强烈关注的焦点。

20世纪80年代的大部分时间，美国政府致力于花费数十亿美元建造一个巨大的“原子粉碎机”或粒子加速器，以深入探测原子核。这台机器被称为超导超级对撞机（SSC），是史上最大的科学机器。然而，该项目在1993年遭到取消。

超导超级对撞机的主要任务是寻找新的相互作用以及测试统一理论，比如电-弱力理论所做的预测，可能会探测GUT和超弦理论的边缘。这台强大的机器会专注于寻找传说中的统一的各个方面。超导超级对撞机会消耗掉足以为一个大都市提供动力的能源，将粒子加速到万亿电子伏特以粉碎其他的亚原子粒子。物理学家们希望，被深锁在原子核内的是验证这些理论某些方面所必需的关键数据。

超导超级对撞机将主导实验高能物理学进入下一个世纪。然而，为了全面测试GUT理论的结果，超导超级对撞机仍然不够强大。“GUT理论把强力和电-弱力结合起来”或者“超弦理论将所有已知的力量结合起来”，这两种预测都需要比超导超级对撞机大得多的机器。事实上，超导超级对撞机或许已能探测到这些理论的外围，帮助我们间接验证或否定这些理论的各种预测。

在实验上，由于探测GUT理论和超弦理论所需的能量太巨大，终极验证可能需要上升至宇宙学领域（对宇宙起源的研究）。事实上，这种统一的能量规模只有在宇宙起始时才能发生。从这个意义上说，解决统一场论的难题可能会很好地解决宇宙起源之谜。

这里，似乎我们已走到了故事的前面。一个人在建造一个房子之前，必须先打下地基。物理方面也是如此，在我们详细探索超弦理论如何统一所有的力之前，我们必须先回答一些基本问题——什么是相对论？什么是物质？统一的概念从何而来？这些问题将是以下两章的重点。 3IqtTWzWEgtTurAHwotxRNRgkP9quDHLJk54qtTEzwnVhYk1iizgSa5XMeQmy2my