1 知识的边缘

第1章 同一根弦

如果说谁想把事实藏起来，那也太戏剧化了。不过，半个多世纪以来，物理学家心里明白，即使对历史上某些最大的科学成就来说，在远方的地平线上也飘浮着乌云。问题在于，现代物理学所依赖的是两大支柱。一个是爱因斯坦的相对论，它为我们从大尺度认识宇宙（如恒星、星系、星系团以及比它们更大的宇宙自身的膨胀）提供了理论框架；另一个是量子力学，我们用这个框架认识了小尺度下的宇宙：分子、原子以及比原子更小的粒子，如电子和夸克。几十年来，两个理论的所有预言差不多都在实验上被物理学家以难以想象的精度证实了。但同样的这两个理论工具，却无情地把我们引向一个痛苦的结论：从广义相对论和量子力学今天的形式看，它们不可能都是正确的。在过去的百年里，我们获得了巨大的进步——解释了宇宙的膨胀，也认识了物质的基本结构——然而，作为这些进步的基础的两个理论，却是水火不相容的。

如果你以前没有听说过这一场火爆的对抗，你也许很想知道那是为什么。这个问题回答起来并不是很困难。除了某些最极端的情形，物理学家研究的东西，要么是小而轻的（如原子和它的组成部分），要么是大而重的（如恒星和星系），从来没有兼具两种性质的。也就是说，对某一种事物，他们只需要量子力学或广义相对论就够了，至于另一家理论怎么大声告诫，都可以不屑一顾。50年来，这方法虽然并不令人高枕无忧，但却是非常严密的。

宇宙就可能是极端情形。在黑洞的中央，大量物质被挤压到一个极小的空间里；在大爆炸的时刻，整个宇宙从比沙粒还小的微尘中爆发出来。这些就是“小而重”的领域，体积很小，而质量大得吓人，所以量子力学和广义相对论应该一起走进来。以后我们会越来越明白，当广义相对论与量子力学的方程结合时，会像一辆破车，摇晃、颠簸、丁零当啷，喷出一路的废气。说白了，那就是，一个良好的物理学问题从两家理论不幸的结合中得到了无聊的结果。即使喜欢让黑洞的内部和宇宙的开端继续躲在神秘背后的人，也不禁会感觉到，量子力学和广义相对论之间的水与火的对抗，只有在更深的层次上才会平息下来。话又说回来，宇宙在最基本的水平上就不能是分离的吗？它也许当真需要拿一组定律来写大东西，而拿另一组不相容的定律去写小的呢。

超弦理论响亮地告诉我们，不是那样的。与令人仰止的量子力学和广义相对论巨人相比，超弦理论不过是初生的牛犊。全世界物理学家和数学家过去十年的研究发现，这种在最基本层次上描写事物的方法，缓解了广义相对论与量子力学间的紧张关系。实际上，超弦带来了更多的东西：在这个新框架下，广义相对论和量子力学的相互需要才使理论有意义。根据超弦理论，“大”定律与“小”定律的结合，不但是幸福的，也是注定了的。

这当然是好事情。而超弦理论——简单说，即弦理论——则将这结合大大往前推进了一步。为了一个能把所有的自然力、所有的物质编织成一幅锦绣图画的统一的物理学理论，爱因斯坦曾追寻了30年，他失败了。今天，在新千年的黎明，弦理论的拥戴者们宣称，那幅迷人的统一图景终于出现了。弦理论有能力证明，发生在宇宙间的一切奇妙的事情——从亚原子世界里夸克疯狂的舞蹈，到太空中飞旋双星高雅的华尔兹；从大爆炸的原初火球，到星河的壮丽旋涡——都体现着一个伟大的物理学原理，一个伟大的数学方程。

弦理论的这些特征要求我们极大地改变对空间、时间和物质的认识，所以我们需要花一些时间来熟悉它，在一定水平上理解它。不过我们也会发现，从它本来的背景看，弦理论虽然来得突然，却是过去百年物理学革命性发现的自然产物。实际上，我们将看到，像广义相对论和量子力学那样可怕的冲突不是第一次，而是我们在过去百年里遭遇的两次大冲突的结果，那每一次冲突的解决，都使我们对宇宙的认识发生了奇妙的改变。

三次冲突

第一次冲突早在19世纪末就出现了，与光运动的奇特性质有关。简单地说，根据牛顿的运动定律，谁如果跑得足够快，就能赶上远去的光束；而根据麦克斯韦的电磁学定律，谁也跑不过光。我们在第2章会讨论，爱因斯坦通过他的狭义相对论解决了这个矛盾，并因此彻底推翻了我们对空间和时间的认识。根据狭义相对论，空间与时间不再是牢固不变的普适概念，任何人都一样去经历；相反，它们在爱因斯坦的新理论中是以灵活多变的结构出现的，形式和表现依赖于运动的状态。

狭义相对论的发展很快引来了第二次冲突。爱因斯坦理论有个结论说，任何物体——实际上包括任何形式的影响和干扰——都不可能跑得比光还快。但是，正如我们在第3章要讨论的，牛顿那成功经历了无数实验而且大家都感觉满意的引力理论，却牵涉到瞬时通过巨大空间距离的作用。这一次，又是爱因斯坦走上前来，凭他1915年广义相对论的引力新概念，化解了这个矛盾。空间和时间不仅受运动状态的影响，在物质和能量出现时，还会发生弯曲。我们将看到，空间和时间结构的这种扭曲将引力作用从一个地方传到另一个地方。于是，我们不能再把空间和时间看成宇宙万物表现自我的死寂的帷幕；实际上，在狭义相对论和后来的广义相对论中，它们本身也是那些事件的直接表演者。

历史再次重演：广义相对论的发现在解决一个冲突的同时，又带来另一个。当19世纪的物理学概念用在微观世界的时候，出现了大量令人眼花缭乱的问题，因为这些，自1900年以来的30年里，物理学家们开创了量子力学（在第4章讨论）。前面讲过，那第三个（也是最深刻的一个）冲突，就源自量子力学与广义相对论的水火不容。在第5章我们还将看到，源于广义相对论的弯曲的空间几何形式总是与量子力学蕴含的狂乱的微观宇宙的行为不相容的。到了20世纪80年代中期，弦理论带来一种解决办法，这个冲突才当然地成为现代物理学的中心问题。而且，从狭义和广义相对论成长起来的弦理论，自身也要求严格地修正我们关于时间和空间的概念。例如，我们大多数人都想当然地认为我们的宇宙有3个空间维，但在弦理论看来不是这样的。它认为，宇宙的维数比我们眼睛看到的更多——那些维都紧紧地卷缩在宇宙褶皱的结构中。这个对空间和时间本性的了不起的发现太重要了，在下面，我们将一直用它来做向导。从真正意义说，弦理论讲的就是自爱因斯坦以来的空间和时间。

为理解弦理论到底是什么，我们需要回到从前，简单说说在过去的一个世纪里，我们关于宇宙的微观结构都学会了些什么。

最小的宇宙：关于物质的认识

古希腊人猜想，宇宙的物质是由一些他们叫原子的“不可分割的”原料构成的。他们想，大量的物质都应该是少量不同的基本材料组合的结果，就像在拼音文字里，数不尽的词语都是由那么少的几十个字母组合生成的。这真是先知的猜想。2000多年过去了，我们还认为它是正确的，尽管那些最基本的物质单元已经历了无数认识的转变。19世纪，科学家发现许多熟悉的物质（如氧和碳）都有一种可以识别的最小组成单元，遵照古希腊人的传统，他们称它为原子。名字确定下来了，但历史证明那是一个误会，因为那些原子当然是“可以分割的”。到20世纪30年代初，J.J.汤姆逊（J.J.Thomson）、卢瑟福（Ernest Rutherford）、玻尔（Niels Bohr）和查德威克（James Chadwick）的工作建立了我们熟悉的原子的太阳系模型。原子远不是什么最基本的物质成分，它有一个包含着质子和中子的核，核外还绕着一群旋转的电子。

有一段时间，许多物理学家都认为质子、中子和电子就是古希腊人的“原子”。但是在1968年，斯坦福直线加速器中心的实验家们利用强大的技术力量探索了物质的微观层次，发现质子和中子都不是基本的。反过来，他们证明了那两个“原子”都由3个更小的粒子构成，那些粒子叫夸克——一个古怪的名字，是理论物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）从乔伊斯（James Joyce）的小说《芬尼根守夜人》里找来的，他早就猜想可能存在着那种粒子。实验家证明，夸克本身有两种，它们的名字不那么有创意，一个叫上，一个叫下。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。

我们在天地间看到的一切事物似乎都是由电子、上夸克和下夸克的组合构成的。没有实验证据说明它们还由更小的东西构成。但却有大量证据表明，宇宙还存在着其他粒子成分。20世纪50年代中期，雷恩（Frederick Reines）和柯万（Clyde Cowan）发现了第四种基本粒子的确凿实验证据，它叫中微子——它的存在，泡利（Wolfgang Pauli）早在20世纪30年代初就预言过了。后来发现，中微子很难找到，它们像幽灵一样，很少与其他物质发生相互作用，能穿透几百亿千米厚的铅，而运动几乎不受影响。这样你可能会感到轻松多了：因为在你读这句话时，太阳向太空喷发的几十亿个中微子正在穿过你的身体，然后穿过地球，继续它们在宇宙间孤独的旅行。20世纪30年代末，物理学家在研究宇宙线（从外太空向地球倾泻的粒子流）时，又发现了一种叫μ子的基本粒子——除了比电子重200倍左右，它们是一样的。μ子在宇宙间的存在，既不是什么事物要求的，也不是人们为解决什么疑问提出的，更不是谁精心设计的。所以，获得诺贝尔奖的粒子物理学家拉比（Isidor Isaac Rabi）对μ子的发现没多大热情，“谁让它来的？”不管怎么说，它来了，而且还跟着来了好多新粒子。

物理学家们凭着前所未有的技术力量，不断地用越来越大的能量将物质击碎，时刻重现大爆炸以来的那些谁也不曾见过的创生条件。他们从碎片里寻找新的元素，粒子清单越来越长。看看他们发现的东西：另外四种夸克——粲、奇、底和顶——还有一个更重的电子兄弟，τ；另外两个性质与中微子相同的粒子（叫μ中微子和τ中微子，以区别于原来的那个电子中微子）。这些粒子在高能碰撞中产生，不过是昙花一现；在我们通常遇到的任何事物里都没有它们的影子。但是，故事还远没结束。每一个这样的粒子都有一个反粒子——质量相同，而在其他某些方面相反（例如电荷，还有与其他力相应的荷，我们在下面讨论）。举例说，电子的反粒子叫正电子——它的质量跟电子相同，但电荷为+1（而电子的电荷为-1）。物质和反物质接触时，会相互湮灭，生成纯粹的能量——难怪在我们周围的世界里自然出现的反物质会那么少。

物理学家在这些粒子间分辨出一种模式，如表1.1。物质粒子正好分成三组，通常被称为族。每一族包括2个夸克和1个电子，或者电子的伙伴，以及1个相应的中微子。三族中同一行相应的粒子除了质量依次增大而不同外，性质是完全一样的。结果，物理学家现在追溯到了一百亿亿分之一米尺度的物质结构，而且证明了我们到目前为止所遇到的每一样事物——不论是自然出现的，还是通过加速器人工产生的——都是由这三族粒子和它们的反物质伙伴组合成的粒子构成的。

从表1.1看，我们对μ子的发现无疑会比拉比更感迷惑。族的划分至少从表面上显出某种秩序，然而数不清的“为什么”也接踵而来。为什么有那么多基本粒子——特别是，我们周围世界的大多数事物似乎只需要电子、上夸克和下夸克就够了？为什么有三族？为什么不是一族、四族或者更多？为什么粒子质量看起来是随机分布的——例如，为什么τ轻子比电子重约3520倍？为什么顶夸克比上夸克重40200倍？这些数都很奇怪，似乎是随机数。它们是偶然出现的，还是什么神灵选择的？我们宇宙的这些基本特征能有一个综合的科学解释吗？

力——光子在哪儿

当我们考虑自然力的时候，问题就变得复杂多了。我们的世界充满了施加影响的方式：球拍将球打出，蹦极爱好者从高高的平台跳下，磁体让列车悬浮在金属轨道上飞奔，盖革计数器响应放射性物质时发出“滴答”的声音，原子弹爆炸……我们可以用力推、拉或者摇动物体；可以把一个物体打进另一个物体；可以拉伸、扭转或者粉碎一个物体；还可以令一个物体冷却、加热或者燃烧。在过去的百年里，物理学家积累了大量证据，说明这些不同事物间的相互作用，以及我们寻常遇到的万千事物间的相互作用，都可以归结为四种基本力的组合。其中之一是引力，另外三种力是电磁力、弱力和强力。

引力是大家最熟悉不过的，它不但让我们能牢固地脚踏大地，而且还维持着我们不停地绕着太阳转。物体质量有多大，决定着它能产生多强的引力，对引力会有多大的反应。电磁力在四种力中也是大家熟悉的，它是现代生活中一切方便的动力——例如光、计算机、电视、电话——它在电闪雷鸣时露出狰狞，也在轻轻触摸的手上留下温柔。从微观的角度说，粒子电荷在电磁力中扮演着物质质量在引力中的角色：决定粒子能产生多强的电磁力，对电磁力有多大的反应。

强力与弱力比较陌生，因为它们在超过亚原子尺度以外就完全失去作用了，它们是作用在原子核中的力。难怪这两种力的发现要晚得多。强力将夸克“胶结”在质子和中子内部，又把质子和中子紧紧捆在一起塞进原子核。弱力最为人所熟悉的作用是物质（如铀和钴）的放射性衰变。

在过去的世纪里，物理学家发现所有这些力有两点共同特征。第一点，我们将在第5章讨论，在微观层次上，所有的力都关联着一个粒子，我们可以把那粒子想象为最小的力元。当我们从“电磁射线枪”射出一束激光时，我们实际是在打开光子的激流，也就是最小的一束电磁力。同样，弱力和强力场的最小单元是一些叫弱规范玻色子和胶子的粒子。（胶子这个名字特别形象，我们可以想象它是把原子核凝结起来的那种强力胶合剂的微观成分。）到1984年时，实验家们已经确定了这三种力的粒子的存在和具体性质，如表1.2。物理学家相信，引力也关联着一种粒子——引力子——不过它的存在还需要实验来证明。

第二个共同点是，力由某种“荷”来决定。如质量决定引力如何对粒子产生作用，电荷决定电磁力如何发生影响，粒子还被赋予一定的“强荷”和“弱荷”，它们决定着粒子如何感应强力和弱力的作用（这些性质详细地列在本章注释的表中）。但是，跟质量的情形一样，我们只知道实验物理学家们仔细测量过那些性质，而没有谁能解释为什么我们的宇宙由具有那些特殊质量和力荷的特殊粒子构成。

尽管基本力有这些共同的特征，但是考察它们却只不过使问题更复杂了。例如，为什么有四种基本力？为什么不是五种、三种甚至一种？为什么这些力会有那么多不同的性质？为什么强力和弱力只能在微观尺度上发生作用，而引力和电磁力却具有无限的作用范围？还有，为什么这些力的固有强度会有那么大的悬殊？

为说明最后这个问题，我们想象左手拿一个电子，右手拿一个电子，然后让这两个完全相同的带电粒子靠近。粒子间的相互引力有助于它们靠拢，但电磁斥力却会把它们分开。哪种力更强呢？根本没法儿比：电磁斥力比引力强100亿亿亿亿亿（1042）倍！如果说右臂代表引力的大小，那么，为了让左臂能代表电磁力的大小，它必须伸展到我们已知的宇宙边缘的外面。在我们身边，电磁力并没有完全压倒引力，那是因为大多数事物都由等量的正负电荷构成，它们的电磁力相互抵消了。而另一方面，引力总是相互吸引的，不会消减——东西越多，引力就越大。不过根本说来，引力是极端微弱的。（所以，从实验来证实引力子的存在是很困难的。寻找最微弱的力的最小作用单元，是多大的挑战啊！）实验还证明，强力比电磁力强100倍，而比弱力强10万倍。但是，宇宙凭什么有这样的性质——“存在理由”在哪儿？

一件事情为什么恰好是这样而不是那样，是钻牛角尖儿的问题，但我们现在的问题可不是那样的。即使物质和作用粒子的性质稍有改变，宇宙就会大为不同。例如，强力与电磁力的强度比例微妙地决定着构成化学元素周期表上百余种元素的稳定原子核的存在。挤在原子核里的质子因电磁作用而相互排斥，多亏了作用在质子里夸克间的强力才克服了排斥而把它们紧紧系在一起。但是，假如两种力量的相对强度发生极小改变，就很可能破坏它们之间的平衡，使大多数原子核发生分裂。而且，假如电子质量再大几倍，它就会与质子结合成中子，吞噬氢原子核（宇宙间最简单的元素，核里只有一个质子），从而破坏更复杂元素的产生。恒星的存在依赖于稳定核之间的聚变，如果基本的物理学发生了那些改变，它们也不复存在了。引力的大小也影响恒星的形成。挤压在恒星中心的物质密度是它核熔炉的能源，也是星光的源泉。假如引力的强度增大了，恒星会裹得更紧，从而大大提高核反应的速率。但是，正如烈焰比烛光能更快烧尽燃料，核反应速率的提高会使恒星（如太阳）更快消亡，给我们所知的生命的形成带来致命的灾难。反过来，假如引力强度大大减弱，物质根本就不能聚集在一起，当然更不可能形成恒星和星系了。

我们还可以继续说下去，不过意思已经清楚了：宇宙之所以如此，是因为物质和作用粒子具有那样的性质。但是，它们为什么有那些性质呢？有科学的解释吗？

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，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。注1

注1：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。

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。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20世纪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。”

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。这些浮华的字眼儿不过是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。

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，弦理论应该看作发展中的理论，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。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。