從古至今，人類從未停止追問“空間是什么”和“時間是什么”。我們早已習慣了空間和時間的存在，將其視為日常生活的前提。但是，只要靜下心來重新思考它們是什么，就會發(fā)現(xiàn)這是十分深奧的問題。我們目前感知到的空間為具有長、寬、高三個度量的三維空間，感知到的時間為從過去到未來的單向流動�？墒请S著科學的發(fā)展，關于空間和時間的觀點卻在發(fā)生著巨大的變化。
　　物質(zhì)是否獨立于空間與時間？人類從古希臘時代開始就一直積極探索這一問題。公元前4世紀的哲學家亞里士多德認為，自然界不存在純粹的“真空”，他認為“自然界厭惡真空”。無論空間還是時間都是伴隨著物質(zhì)及物質(zhì)的運動而定義的，也就是說物質(zhì)不獨立于時空而存在。
　　此后，亞里士多德提出的這一時空概念在歐洲統(tǒng)治了兩千多年。
　　但是到了17世紀，艾薩克·牛頓掀起了時空概念最初的革命。牛頓為了完成力學理論，他引入了從物質(zhì)獨立出來的“絕對空間”和“絕對時間”的概念�？臻g是自然現(xiàn)象的容器，是獨立存在的。時間在宇宙的任何角落都是一樣的。這種觀點與我們普通人對空間和時間的感覺很相近。牛頓的力學對低速運動的描述非常成功，構成了現(xiàn)代社會的科學基礎，其“絕對空間”和“絕對時間”的觀念因此為一般大眾所接受。
　　不過，進入20世紀后，出現(xiàn)了關于時空概念的第二次革命。阿爾伯特·愛因斯坦推翻了牛頓的空間和時間絕對不變學說。
　　愛因斯坦在1905年發(fā)表了狹義相對論，認為空間和時間會因觀測者的速度而伸縮；并于1916年發(fā)表了廣義相對論，認為空間和時間的伸縮可以揭示物質(zhì)之間的引力�？臻g和時間不僅僅是物理現(xiàn)象的容器，還與其中的引力有著密切的關系，在引力的作用下會產(chǎn)生伸縮變化。
　　也許我們對時空的伸縮一無所知。但是，愛因斯坦的理論與我們的日常生活是緊密相連的。例如智能手機和汽車導航使用的GPS（全球定位系統(tǒng)）定位，必須把廣義相對論和狹義相對論中提到的時間伸縮計算進去才能精準定位。
　　然而，故事并沒有在愛因斯坦這里結束，現(xiàn)在正要興起時空概念的第三次革命。這是一種出人意料的說法，即空間只不過是一種呈展，即衍生的概念。①
　　雖然愛因斯坦主張在引力的作用下空間和時間是伸縮的，但是他并不懷疑作為自然現(xiàn)象框架的空間和時間的存在。不過隨著后來物理學的發(fā)展，這種觀點發(fā)生了改變。
　　大約在愛因斯坦發(fā)表引力理論（廣義相對論）10年后，微觀世界的法則——量子力學得以確立。于是我們發(fā)現(xiàn)，引力理論與量子力學之間存在嚴重的矛盾。攻克這一矛盾并建立統(tǒng)一兩者的理論，成了現(xiàn)代物理學的重大課題。
　　本書所講述的超弦理論就是解決這一課題的相關理論。這個理論認為，物質(zhì)不是由粒子組成的，而是類似于線狀的“弦”。雖然這一關于物質(zhì)組成的超弦理論還未得到實驗的驗證，但是它是能夠解決引力理論和量子力學之間矛盾并將二者統(tǒng)一的理論，是描述基本粒子的終極統(tǒng)一理論中的最有力備選理論，非常值得我們期待。
　　超弦理論既是關于物質(zhì)的理論，又是關于空間和時間的理論。超弦理論的研究中發(fā)現(xiàn)了令人震驚的現(xiàn)象，那就是空間的維度變化。我們所熟知的三維空間會變成四維或二維空間。另外，根據(jù)不同的觀測方式，在三維空間出現(xiàn)的現(xiàn)象也同樣會出現(xiàn)在九維空間。
　　① 指空間在基本規(guī)律作用下的體系形成新的層次而呈現(xiàn)出的一種特性。呈展論（emergence），認為物質(zhì)結構是分層次的，每個層次都會展現(xiàn)全新的性質(zhì)，這些性質(zhì)已超出了基本規(guī)律如基本粒子物理領域，可以被稱作層展性質(zhì)，與其相關的現(xiàn)象就是層展現(xiàn)象。
　　下面舉個例子來說明。日常的生活經(jīng)驗告訴我們，冰是堅硬的，是由形態(tài)自由的水凝固而成的。但是在微觀世界里，它們的特性差異是用分子的結合方式來解釋的。分子本身并不具備冰的特性和水的特性，單獨看每個分子，冰和水就沒有區(qū)別了。數(shù)量龐大的分子聚集的時候，由于聚集方式不同，冰和水才具備了各自不同的特性。
　　另外，如同冰和水的區(qū)別那樣，“溫度”也是一個次生性概念。我們?nèi)粘Ｉ�活中感知的冷暖是用“溫度”這個標準來衡量的。但是在微觀世界里，各個分子自身不具備溫度特性，溫度只不過是分子平均能量的表現(xiàn)。從分子的層面上講，溫度這一概念也是不存在的。那么或許可以說，溫度是我們從微觀世界層面中產(chǎn)生的呈展效應。②
　　超弦理論就是以空間維度為對象，進行了與上述例子類似的思考與研究。例如空間的維度變化、觀測方式差異下不同維度空間中出現(xiàn)的相同現(xiàn)象，我們也并不能確定這些是否是空間這一概念的本質(zhì)�；蛟S就像溫度只不過是分子運動的表現(xiàn)那樣，“空間”也是某種更加本原東西所表現(xiàn)出的次生概念，也就是說“空間”也只是我們在本原層面中的呈展結果。超弦理論中就是這么講的。
　�、� 簡單說即是宏觀層面上對微觀現(xiàn)象的一種等效描述，或者說是對其更本原的規(guī)律在宏觀層面上的一種刻畫。
　　這么一說，你可能會想：怎么盡是些打破常規(guī)的言論。但是，物理學家可不是喜歡打破常規(guī)的人。相反，他們非常保守。例如，他們會執(zhí)著于已經(jīng)確立的理論，不會輕易摒棄，直到山窮水盡，無路可走。當然，如果愛因斯坦的理論能夠不改變，那是最好了。所以打破常規(guī)的言論與物理學家的精神追求是不相容的。我們物理學家早上去大學上班時，可不是突發(fā)奇想“好，今天就掀起時空概念的革命吧”，繼而開始搞起研究的。我們平常思考的是關于各個物理現(xiàn)象的具體研究課題。
　　不過，對于研究最尖端的基本粒子物理學來說，引力理論和量子力學都很重要。因此，我們正在探求一種能夠消除引力理論和量子力學之間的矛盾，并能將二者有機結合的新理論。各種應運而生的理論相繼被推翻，最后剩下了以“弦”為物質(zhì)基礎的超弦理論。
　　另外，在該理論的數(shù)學邏輯確認研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)了空間的維度變化這一驚人的現(xiàn)象。也就是說，對自然本質(zhì)的科學探求，引領我們不得不重新思考“空間是什么”。我撰寫本書的目的就是想讓大家也能夠理解這一點。
　　關于本書的閱讀方法，下面贅述幾點個人建議。
　　我在撰寫這本書時，使用了最低限度的相關專業(yè)背景知識，來介紹超弦理論的最新研究成果。不過，為闡述后面內(nèi)容做準備，第一章和第二章將先講解一些關于量子力學和基本粒子論的基礎知識。
　　如果有的讀者想盡早閱讀超弦理論部分，或者感到這兩章讀起來有困難，不妨先閱讀第三章，真正介紹超弦理論是從第三章開始的。掌握了該理論的全貌后，如果還想深入了解的話，可以再回過頭來閱讀前面的章節(jié)。
　　第三章介紹了超弦理論體系下作為物質(zhì)基礎的基本粒子和粒子之間的作用力。另外還解釋了“弦理論”轉變?yōu)椤俺�弦理論”的原因，并詳細講解了兩者的差異以及發(fā)展過程。
　　第四章闡明了超弦理論中關于“空間的維度限定”之理由。超弦理論的一大特征是，空間的維度是確定的。本書嘗試對其中的原因進行解釋說明。不過，剛開始閱讀的時候不要覺得太難，即使以“在超弦理論中維度是確定的”為前提輕松地閱讀，也不會為后面內(nèi)容的理解設置障礙。
　　第五章的內(nèi)容脫離了超弦理論的主線，介紹了引力和電磁力等自然界中所有力的統(tǒng)一原理。這個原理叫作“規(guī)范場論”。關于基本①粒子的基本理論（標準模型）和之后登場的超弦理論都涉及了這個原理，所以本書盡量簡單又準確地解釋了“規(guī)范場論”。不過，如果覺得概念過于抽象，難于理解，只要記住“規(guī)范對稱性”這個詞語后，接著讀下一章就可以了。在后面的內(nèi)容中會再次遇到“規(guī)范對稱性”這個詞時，若想對其深入了解，可返回第五章閱讀。
　　從第六章開始，超弦理論終于成為了主角。
　　第六章講述的是“第一次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論在基本粒子理論的世界里一舉成名。第八章講述的是“第二次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論飛躍到了一個新的高度。這兩次“事件”介紹了超弦理論研究中的戲劇性的進展與突破。另外，夾在這兩章之間的第七章，記述了我自己迷上超弦理論和投身該理論研究的原委。
　　第九章提出了空間是“呈展”的觀點。通過超弦理論的研究，我的世界觀被徹底顛覆了。我也想讓大家擁有這樣的體驗，這就是我撰寫本書的動機所在。
　　如果空間是呈展的話，那么時間是否也是呈展的？大家也都很關心這個問題吧？過去和未來，它們真的有什么區(qū)別嗎？時間到底是什么呢？最后的第十章是關于時間的思考。
　　每章的開頭會引用與本章話題相關的文學作品或歷史文獻做簡單引導。另外，每章結尾的小專欄可以讓讀者放松休息。單獨閱讀這些內(nèi)容亦是閱讀本書的樂趣所在。
　　拙作《引力是什么》和《強力與弱力》中的插圖基本上都是我自己畫的。至于本書，插圖雖不是很多，但圖表的數(shù)量不少，所以是委托專業(yè)人員制作的。不過，書中科學家們的肖像畫與前兩本書一樣，都是我自己畫的。因為我覺得我了解他們的研究內(nèi)容，可以在畫中更多地表現(xiàn)其內(nèi)涵。
　　大家可以根據(jù)自己的習慣，用不同的閱讀方法來體會本書的樂趣。
　　接下來，就讓我為大家解釋一下物理學家認為“空間是呈展”的理由吧。