引 言

簡單來說，弦論聲稱所有物質(zhì)的基本對象不是粒子，而是弦。弦就像小橡皮筋，但非常細而且非常強。一個電子實際上被設(shè)想為一根弦，它在長度非常小的尺寸上振動并旋轉(zhuǎn)著，這個尺寸如此之小以至于我們用最先進的粒子加速器都無法探測到。在一些版本的弦論里，一個電子是一個弦的閉合的圈。在另一些版本里，它是弦的一個部分，具有兩個端點。

讓我們簡要地回顧一下弦論的發(fā)展歷史。

弦論有時被描述為一個顛倒的理論。顛倒的意思是在人們沒有理解其結(jié)果的深刻含義之前，就推出了理論的相當不錯的片段。在1968年，人們第一次得到了一個描述弦是如何相互彈開的漂亮公式。這個公式被提出的時候甚至沒有任何人意識到它與弦論有關(guān)系，這樣做是因為在數(shù)學上很有趣。人們可以擺弄、檢驗和擴展它，而無須深入了解它。在這個例子里，深入的理解實際上是隨之而來的，包括弦論的洞見，而弦論的洞見又包括用廣義相對論描述的引力。

在20世紀70年代和 20世紀 80 年代的早期，弦論瀕臨被遺忘的邊緣。其最初的目標是解釋核能，卻并不成功。當它與量子力學結(jié)合時，又會產(chǎn)生不自洽性，人們稱之為反常。反常的一個例子是，如果存在類似中微子但帶電的粒子，那么特定類型的引力場會自發(fā)地產(chǎn)生電荷。這是糟糕的，因為量子力學需要宇宙在類似電子的負電荷和類似質(zhì)子的正電荷之間保持嚴格的平衡。所以，在1984年，當證明弦論里不存在反常時，這個消息就成了一個大解脫。此后，弦論就被認為是潛在的可以用來描述宇宙的一個候選理論。

這個顯赫的技術(shù)成果開啟了第一次超弦革命：一個激動人心、讓人發(fā)狂的活躍時期，盡管它并沒有實現(xiàn)它自稱的目標，即創(chuàng)造一個萬有理論。當時我還是一個小孩，住所離阿斯本物理中心不遠，該中心是弦論研究的一個策源地。我記得人們嘟囔著超弦理論是否能夠在超導超級對撞機上得到驗證，而我在想著關(guān)于超級的一切。嗯，超弦指的是考慮了超對稱的特殊性質(zhì)后的弦。那么超對稱說的是什么呢？稍后我將努力在本書中清楚地給出解釋，但現(xiàn)在，讓我們先滿足于兩個非常片面的陳述。第一，超對稱和不同自旋的粒子有關(guān)。粒子的自旋就好像是一個陀螺的自旋，粒子永遠都無法停止自旋。第二，超對稱的弦論是我們所理解的最好的弦論。與之相比，非超對稱的弦論需要26個維度，而超對稱的弦論只需要10個維度。自然，我們不得不承認，即便是10個維度，仍然多出了6個，因為我們能感知的只有三個空間的維度和一個時間的維度。

作為使弦論成為一個描述真實世界的理論的努力的一部分，我們需要想辦法去除那些額外的維度，或找到它們的用途。在20世紀80年代剩下的時間里，弦理論家為發(fā)現(xiàn)萬有理論激烈地競爭。但他們對弦論并沒有充分的了解。研究結(jié)果表明，弦并不是全部的內(nèi)容。理論中還需要膜的存在：可以在幾個維度上延長的對象。最簡單的膜是一張薄膜，就像鼓的表面，一張薄膜在兩個空間的維度上延長。它是一個可以振動的表面。還有3-膜，它可以充滿整個我們可以感受到的三維空間，并在弦論所需要的額外的維度上振動。還可以有4-膜、5-膜……一直到9-膜。所有這些開始聽上去好像有很多是需要消化的，但我們有堅實的理由相信，如果不考慮所有這些種類的膜，你就無法對弦論有感覺。有些理由和弦對偶有關(guān)。一個對偶是兩個表面看起來不一樣的對象或觀點間的一種關(guān)系。一個最簡單的例子就是一個棋盤。一種觀點認為棋盤是紅色背景上的黑色方塊；另一種觀點則認為棋盤是黑色背景上的紅色方塊。兩種觀點（都精確地）提供了一個關(guān)于棋盤外表的充分描述。它們不一樣，但可以通過紅色與黑色之間的互換把它們聯(lián)系起來。

20世紀90年代中期，人們基于對弦對偶和膜的作用的理解掀起了第二次超弦革命。人們再次努力把這種新的理解用于構(gòu)建一個可以被稱為萬有理論的理論框架。這里的萬有意思是我們理解和已經(jīng)驗證過的基礎(chǔ)物理的所有方方面面。引力研究是基礎(chǔ)物理的一部分。電磁場和原子核研究也是。還有，比如電子、質(zhì)子和中子等構(gòu)成所有原子的粒子物理研究。盡管弦論的構(gòu)造可以用來重構(gòu)我們所知道的世界的粗略輪廓，但它距離一個全面成功的理論還有一些難以克服的困難。那時，我們對弦論了解得越多，就意識到我們不知道的也越多。所以，看起來還需要開展第三次超弦革命。但迄今我們還沒有等來。相反，目前的情形是弦理論家正用他們現(xiàn)有的理解層次去勉強應(yīng)付，利用弦論針對現(xiàn)在或即將發(fā)生的實驗作出部分描述。其中最有力的努力是沿著將弦論和高能對撞（比如，質(zhì)子或重離子對撞）聯(lián)系起來的方向展開。我們希望我們所探索的聯(lián)系可能與超對稱的思想，或額外維度，或黑洞視界，或同時與以上三者都有關(guān)。

……

弦論將向什么方向發(fā)展？弦論允諾會統(tǒng)一引力和量子力學。它允諾可以提供一個能包含所有自然界中力的單一理論。它允諾一個對時間、空間和尚未發(fā)現(xiàn)的額外維度的新理解。它允諾能為看起來很不一樣的概念，比如黑洞和夸克-膠子等離子體，建立起聯(lián)系。它確實是一個很有前途的理論！

弦理論家如何兌現(xiàn)在他們領(lǐng)域內(nèi)的允諾？事實上，很多都已經(jīng)兌現(xiàn)了。弦論確實提供了一個以量子力學為開始、以廣義相對論為結(jié)束的優(yōu)雅的推理鏈條。我將在第4章中描述這個推理的框架。弦論也確實提供了一個描述自然界中所有力的權(quán)宜圖景。我將在第7章中勾勒這個圖景并告訴你把它變得更精確會碰到的一些困難。然后我還將在第8章中解釋，弦論計算已經(jīng)被用于比較重離子對撞實驗中的數(shù)據(jù)了。

本書不以解決任何弦論的爭論為目標，但我會提及，許多的分歧不過是觀念之爭罷了。當弦論得出一個重要的結(jié)論時，支持它的人會說：太棒了！要是能更如此這般就更棒了。反對它的人會說：真可惜！要是能如此這般才會讓我印象深刻。最后，雙方（至少，對各自陣營里更嚴肅和更了解情況的成員而言）的觀點在本質(zhì)上差別并不大。幾乎所有人都同意基礎(chǔ)物理學中深藏著一些謎題，而弦理論是所有認真嘗試解決這些謎題的理論中的領(lǐng)先者。當然，我也同意很多弦論的允諾還有待兌現(xiàn)。