弦理论：基本思想。
弦理论带来了强有力的概念和范式，第一次提出了回答那些问题的框架。我们先来看看基本思想。
表1.1里的粒子是一切物质的基本单元，像语言学里的“字母”一样，它们看来也不会有什么更深层的结构。弦理论却另有说法。根据弦理论，假如我们以更高的精度——比现有技术高许多数量级的精度——去考察那些粒子，我们会发现它们并不是点状的粒子，而是由一维的小环构成的。每一个粒子都像一根无限纤细的橡皮筋，一根振荡、跳动的丝线。物理学家没有盖尔曼那样的文学天才。
图1.1 物质由原子组成，而原子由夸克和电子组成。根据弦理论，所有这些粒子实际上是振动着的一根闭合的弦。
就把它叫弦。我们在图1.1里说明了弦理论的基本思想：从一个普通的苹果开始，不断地放大它的结构，显出越来越小的组成。以前我们从原子走到质子、中子、电子和夸克，现在弦理论在它前面增添了一根微观的振动的线圈。2虽然不是显而易见的，我们在第6章还是可以看到，单纯地以弦来代替点粒子的物质组成，解决了量子力学与广义相对论之间的矛盾。于是，弦理论解开了当代理论物理学的戈迪乌斯结。3这是巨大的成就，但弦理论如此激动人心并不仅仅是因为这一点。
弦理论：万物的统一。
理论在爱因斯坦的年代，强力和弱力还没有发现，但他还是为存在两种截然不同的力——引力和电磁力——感到困惑。爱因斯坦不相信大自然会建立在那么奢华的设计图上。于是，他走上了30年的探寻历程，他希望能找到一个统一场论来说明这两种力不过是同一个大的基本原理的不同表现。这场堂吉诃德式的追求将爱因斯坦从物理学主流里孤立出来。可以理解，物理学家们那时正激动地投入正在兴起的量子力学。爱因斯坦在40年代初给朋友的信里说，“我成了孤独的老头儿，大概主要是因为不穿袜子而出了名，有时候还被当成珍稀动物在特殊场合展览。”4爱因斯坦走在了时代的前头。半个多世纪以后，他的统一理论之梦成为现代物理学的圣杯。很大一部分物理学家和数学家越来越相信，弦理论可能会带来答案。从一个原理出发——万物在最微观的层次上是由振动丝弦的组合构成的——弦理论提供了一个能囊括一切力和物质的解释框架。
例如，弦理论认为，我们观测到的粒子性质，表1.1和表1.2所列的那些数据，不过是弦的不同振动方式的反映。我们知道琴弦（提琴或钢琴）都有共振频率，即弦倾向的振动频率，也是我们耳朵听到的不同的音调与和声——同样，弦理论里的环也有这样的性质。不过，我们将看到，弦理论的弦在共振频率处的振动不是产生什么音乐，而是出现一个粒子，粒子的质量和力荷由弦的振荡模式决定。电子是以某种方式振动的弦，上夸克是以另一种方式振动的弦，等等。在弦理论中，粒子的性质绝非一堆混乱的实验结果，而是同一物理特性的具体表现：基本闭合弦的共振模式——也可以说是弦的音乐。这种思想也适用于自然力。我们将看到，作用力的粒子也关联着特定的弦振动模式，从而天地万物，一切的物质和所有的力都统一到了微观弦振荡的大旗下——那就是弦奏响的“音乐”。
这样，我们在物理学史上第一次有了一个能解释宇宙赖以构成的所有基本特征的框架，因此有时人们说弦理论可能是一个“包罗万象的理论”（theory of everything, T.O.E.）或者是一个“终极”理论。5这些浮华的字眼儿不过用来强调那可能是一个最深层的理论——是其他一切理论的基础，而不需要甚至不允许有更基本的理论来解释它。不过，许多弦理论家还是以更老实的态度来看待“万象的理论”，在有限的意义上思考这个理论有多大能力来解释基本粒子的性质和粒子间相互作用的力的性质。固执的还原论者却认为那不是什么极限，从原则上讲，从宇宙大爆炸到人类幻想的一切事物，都可以用关于物质基本结构的微观物理学过程来描述。在还原论者看来，认识了事物的组成，也就认识了事物本身。
还原论者的哲学很容易激起争论。他们认为，生命和宇宙奇迹不过是循着物理学定律规定的舞步不停舞动着的微观粒子的反映，很多人感到这种观点愚蠢而令人厌倦。难道我们快乐、忧愁和无聊的感觉真的就是发生在大脑里的化学反应吗？——真的是分子和原子间的反应吗？或者，更微观地说，真的是表1.1中的那些原本是振荡的弦的粒子之间的反应吗？为回答这些批评，曾获诺贝尔物理学奖桂冠的S·温伯格（Steven Weinberg）在《终极理论之梦》中告诫说：反还原论者的另一极端是，他们为其所感觉的现代科学的荒芜感到沮丧。不论他们和他们的世界能在多大程度上还原为粒子的物质或场及其相互作用，他们总觉得被那种认识糟蹋了。……我不想用什么现代科学的美妙来回应那些批评。还原论者的世界观的确是冷漠的，没有一点儿人情味，但我们必须忠实地接受它，不是因为我们喜欢，而是因为世界本来就是那样运行的。6这种鲜明的观点，有人赞同，也有人反对。
还有些人曾试图说明，诸如混沌理论的发展告诉我们，当系统复杂性增大时，会出现一些新的定律来发生作用。认识一个电子或夸克的行为是一回事，用这些知识去理解龙卷风的行为是另一回事。关于这一点，多数人都是赞同的。但是，问题的分歧在于，经常出现在比个别粒子更复杂的系统中的五花八门的意外现象，是否真的说明新物理学原理在发生作用，那些原理是否能够（哪怕是以非常复杂的方式）从统治大量粒子的物理学原理推导出来？尽管很难用电子和夸克的物理学来解释飓风的性质，但我以为那只是计算的尴尬，而不是需要新物理定律的信号。当然，这一点也有人不同意。
然而，即使我们接受这种有争议的固执的还原论观点，对我们这本书要讲述的历程来说，无疑还存在着严重的问题：原理是一回事，实际是另一回事。几乎所有的人都同意，寻求“一个包罗万象的理论”并不是说要把心理学、生物学、地质学、化学，哪怕物理学的问题都囊括进来解决。宇宙如此丰富多彩，变化万千，我们所谓的终极理论，绝不是科学的终结。恰恰相反，发现T.O.E.——在最微观水平上解释宇宙，而不需要任何更深层的理论来解释它自己——将为我们建立宇宙的新认识提供最坚实的基础。那发现将标志着一个开始，而不是结束。终极理论将为我们树立一座不朽的和谐的纪念碑，它让人们相信，宇宙是可以理解的。
弦理论现状。
本书的中心是根据弦理论解释宇宙的行为，特别还要强调这些结果对我们认识空间和时间有什么意义。与其他科学发展的报道不同的是，我们这里讲的理论还没有完成，没有经过严格的实验验证，也没有完全被科学界接受。这是因为弦理论太深奥、结构太精妙，尽管在过去的20年里取得了令人难忘的进步，但离我们完整把握它还着实太远。
所以，弦理论应该看做发展中的理论，而它的部分结果已经带来了令人惊奇的关于空间、时间和物质的新认识。将广义相对论与量子力学和谐地统一起来，是它的主要成功。而且，与其他理论不同，弦理论有能力回答有关自然最基本的物质构成和力的原初问题。同样重要的还有（尽管不太好说），不论弦理论所能提供的答案，还是这些答案的理论框架，都有特别精美的结构。例如，大自然似乎随意表现的那些细节——如不同基本粒子的数目和各自的性质——在弦理论中都是宇宙几何的某些基本而实在的表现。如果弦理论是正确的，我们宇宙的微观结构将是一座错综复杂的多维迷宫，宇宙的弦在其中不停歇地卷曲、振动，和谐地奏响宇宙的旋律。大自然基本组成的性质绝不是偶然的，而是深刻地与时空结构交织在一起的。
然而，说到底，还得靠确定的可以检验的预言来决定弦理论是否真正揭开了宇宙最深层真理的神秘面纱。要达到那一步，大概还要等一些时候，尽管正如我们将在第9章讨论的，实验验证在未来10年左右能为弦理论提供有力的旁证。而且，我们在第13章会看到，弦理论最近已经解决了一个与所谓贝肯斯坦-霍金熵相联系的有关黑洞的重大难题。20多年来，许多传统的方法都没能解决这个问题。这一成功使许多人相信弦理论正在给我们带来对宇宙行为的最深刻认识。
E·惠藤（Edward Witten）是弦理论的先驱者和卓越的专家，他曾这样概括弦理论的现状：“弦理论是21世纪物理学偶然落到20世纪的一个部分”，这话最早是著名意大利物理学家D·阿玛提（Daniele Amati）说的。7这样说来，在某种意义上，它有点儿像把一台现代的超级计算机摆在19世纪末的前辈面前，却没有操作指令。通过创造性的反复试验也能显现这台计算机的威力，但要真正把握它还需要更艰辛和长久的努力。计算机的潜在威力跟我们看到的弦理论的强大解释能力一样，将激发人们完全把握它们的强烈愿望。同样的动机在今天正激励着一代理论物理学家去追寻一个精确的解析的弦理论。
惠藤和弦领域的其他专家的言论说明，还要经过几十年甚至几百年我们才可能完全建立和理解弦理论。这很可能是对的。实际上，弦理论的数学很复杂，我们至今也不知道理论的方程是什么。而物理学家只知道那些方程的近似，即使这些近似的方程也够复杂了，只得到部分的解。不过，在20世纪的最后几年出现了一系列激动人心的突破——它回答了迄今难以想象的理论难题——大概预示着我们离完全定量认识弦理论比原先想的要近得多。全世界的物理学家们还在发展比现行各种近似方法更优越的技术，以令人惊喜的速度把弦理论疑惑的分离的元素组织起来。
令人惊奇的是，弦理论的这些发展让我们能够用更好的观点来重新解释一些早已深入人心的理论的基本概念。例如，当我们看表1.1时，会自然生出疑问：为什么是弦呢？为什么不是小飞盘呢？为什么不是一滴滴的小东西？为什么不是这些可能事物的组合？在第12章我们会看到，最近的研究表明，那些事物在弦理论中的确扮演着重要角色，而且，弦理论不过是更宏大的综合理论的一部分——那个理论现在（颇为神秘地）叫M-理论。这些最新发展是我们这本书最后几章的主题。
科学的历程起伏跌宕，有时硕果累累，有时田园荒芜。科学家推出的结果，不论理论的，还是实验的，都摆在科学界同仁的面前，任他们评说。这些结果，有时被否定，有时被修正，有时则为我们重新更精确地认识物理学的宇宙带来思想的飞跃。换句话说，科学曲曲折折地走向我们希望的最后真理，这条路从人类最原始的探索开始，通向我们未知的宇宙尽头。弦理论是这条路上的一个驿站，一个转折点，还是最后的终点，我们不知道。不过，数以百计的来自不同国度的物理学家和数学家们最近20年的研究，使我们能满怀信心地希望，我们正走在正确的道路上，也许离终点不远了。
凭我们现在的认识水平，也能从弦理论获得对宇宙行为的新认识，这一点足以证明弦理论是多么丰富而深刻。我们下面要讲的主要内容是这些理论发展，如何将爱因斯坦狭义和广义相对论开创的空间和时间认识的革命，继续推向前进。我们将看到，假如弦理论是正确的，那么我们宇宙结构的某些性质，也可能令爱因斯坦惊讶万分。
注释：
1.下面的表是表1.1的补充。它记录了三族粒子的质量和作用荷。每一类夸克都能携三种可能的强作用荷，我们想象那是夸克的“色”——它代表荷的数值大小。这儿列举的弱荷准确地应该叫弱同位旋的“第3分量”。（我们没有列举粒子的“右手”分量——可以通过没有弱荷来区别它们。）
1.下面的表是表1.1的补充。它记录了三族粒子的质量和作用荷。每一类夸克都能携三种可能的强作用荷，我们想象那是夸克的“色”——它代表荷的数值大小。这儿列举的弱荷准确地应该叫弱同位旋的“第3分量”。（我们没有列举粒子的“右手”分量——可以通过没有弱荷来区别它们。）
2.除了图1.1画的圈（闭弦）外，弦也可以是两端自由活动的（即所谓的开弦）。为表达简洁，我们多数时候都只谈闭弦，不过几乎所有论述都适合于这两种情况。
人学网·宇宙探索栏目责编：自然子
