引 言

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

讓我們簡要地回顧一下弦論的發(fā)展歷史。

弦論有時(shí)被描述為一個(gè)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(dāng)不錯(cuò)的片段。在1968年，人們第一次得到了一個(gè)描述弦是如何相互彈開的漂亮公式。這個(gè)公式被提出的時(shí)候甚至沒有任何人意識(shí)到它與弦論有關(guān)系，這樣做是因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上很有趣。人們可以擺弄、檢驗(yàn)和擴(kuò)展它，而無須深入了解它。在這個(gè)例子里，深入的理解實(shí)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(duì)論描述的引力。

在20世紀(jì)70年代和 20世紀(jì) 80 年代的早期，弦論瀕臨被遺忘的邊緣。其最初的目標(biāo)是解釋核能，卻并不成功。當(dāng)它與量子力學(xué)結(jié)合時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生不自洽性，人們稱之為反常。反常的一個(gè)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(huì)自發(fā)地產(chǎn)生電荷。這是糟糕的，因?yàn)榱孔恿�學(xué)需要宇宙在類似電子的負(fù)電荷和類似質(zhì)子的正電荷之間保持嚴(yán)格的平衡。所以，在1984年，當(dāng)證明弦論里不存在反常時(shí)，這個(gè)消息就成了一個(gè)大解脫。此后，弦論就被認(rèn)為是潛在的可以用來描述宇宙的一個(gè)候選理論。

這個(gè)顯赫的技術(shù)成果開啟了第一次超弦革命：一個(gè)激動(dòng)人心、讓人發(fā)狂的活躍時(shí)期，盡管它并沒有實(shí)現(xiàn)它自稱的目標(biāo)，即創(chuàng)造一個(gè)萬有理論。當(dāng)時(shí)我還是一個(gè)小孩，住所離阿斯本物理中心不遠(yuǎn)，該中心是弦論研究的一個(gè)策源地。我記得人們嘟囔著超弦理論是否能夠在超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)上得到驗(yàn)證，而我在想著關(guān)于超級(jí)的一切。嗯，超弦指的是考慮了超對(duì)稱的特殊性質(zhì)后的弦。那么超對(duì)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(gè)非常片面的陳述。第一，超對(duì)稱和不同自旋的粒子有關(guān)。粒子的自旋就好像是一個(gè)陀螺的自旋，粒子永遠(yuǎn)都無法停止自旋。第二，超對(duì)稱的弦論是我們所理解的最好的弦論。與之相比，非超對(duì)稱的弦論需要26個(gè)維度，而超對(duì)稱的弦論只需要10個(gè)維度。自然，我們不得不承認(rèn)，即便是10個(gè)維度，仍然多出了6個(gè)，因?yàn)槲覀兡芨兄�的只有三個(gè)空間的維度和一個(gè)時(shí)間的維度。

作為使弦論成為一個(gè)描述真實(shí)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(jì)80年代剩下的時(shí)間里，弦理論家為發(fā)現(xiàn)萬有理論激烈地競爭。但他們對(duì)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(gè)維度上延長的對(duì)象。最簡單的膜是一張薄膜，就像鼓的表面，一張薄膜在兩個(gè)空間的維度上延長。它是一個(gè)可以振動(dòng)的表面。還有3-膜，它可以充滿整個(gè)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(dòng)。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(jiān)實(shí)的理由相信，如果不考慮所有這些種類的膜，你就無法對(duì)弦論有感覺。有些理由和弦對(duì)偶有關(guān)。一個(gè)對(duì)偶是兩個(gè)表面看起來不一樣的對(duì)象或觀點(diǎn)間的一種關(guān)系。一個(gè)最簡單的例子就是一個(gè)棋盤。一種觀點(diǎn)認(rèn)為棋盤是紅色背景上的黑色方塊；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為棋盤是黑色背景上的紅色方塊。兩種觀點(diǎn)（都精確地）提供了一個(gè)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(jì)90年代中期，人們基于對(duì)弦對(duì)偶和膜的作用的理解掀起了第二次超弦革命。人們?cè)俅闻�力把這種新的理解用于構(gòu)建一個(gè)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(yàn)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(gè)全面成功的理論還有一些難以克服的困難。那時(shí)，我們對(duì)弦論了解得越多，就意識(shí)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(qiáng)應(yīng)付，利用弦論針對(duì)現(xiàn)在或即將發(fā)生的實(shí)驗(yàn)作出部分描述。其中最有力的努力是沿著將弦論和高能對(duì)撞（比如，質(zhì)子或重離子對(duì)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(duì)稱的思想，或額外維度，或黑洞視界，或同時(shí)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(huì)統(tǒng)一引力和量子力學(xué)。它允諾可以提供一個(gè)能包含所有自然界中力的單一理論。它允諾一個(gè)對(duì)時(shí)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(shí)是一個(gè)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(shí)上，很多都已經(jīng)兌現(xiàn)了。弦論確實(shí)提供了一個(gè)以量子力學(xué)為開始、以廣義相對(duì)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(gè)推理的框架。弦論也確實(shí)提供了一個(gè)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(gè)圖景并告訴你把它變得更精確會(huì)碰到的一些困難。然后我還將在第8章中解釋，弦論計(jì)算已經(jīng)被用于比較重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)了。

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