Emay

1984年秋天，久負(fù)盛名的《物理學(xué)快報(bào)》上發(fā)表了一篇有關(guān)弦構(gòu)想的文章，接著便以排山倒海之勢(shì)掀起了第一波弦革命，全世界數(shù)以千計(jì)的物理學(xué)家們爭(zhēng)先恐后地放棄了他們手中正在研究的項(xiàng)目，去追逐愛(ài)因斯坦畢生的夢(mèng)想——宇宙統(tǒng)一理論。這是一個(gè)全新的領(lǐng)域，充滿生機(jī)和希望。

30年后的今天來(lái)看得失，究竟弦理論是揭示了宇宙的深層定律，還是如一些批評(píng)家們所言，不過(guò)是吸引了整整一代物理學(xué)家的數(shù)學(xué)理論上的海市蜃樓呢？

盡管宇宙統(tǒng)一理論已成為愛(ài)因斯坦的代名詞，但是幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)該理論一直是現(xiàn)代物理學(xué)的研究核心。艾薩克·牛頓通過(guò)對(duì)石頭滾動(dòng)軌跡和輪子旋轉(zhuǎn)軌跡的描述，揭示了不僅地球及其他行星在遵循萬(wàn)有引力定律圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而且月球也是遵循同樣的定律圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。200年后，麥克斯韋延續(xù)了這一理論，他用同一數(shù)字形式描述了電場(chǎng)和磁場(chǎng)是同種力的兩種表現(xiàn)。

然后就是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。愛(ài)因斯坦先于1905年提出狹義相對(duì)論，他認(rèn)為時(shí)間和空間并不是相互獨(dú)立的，運(yùn)動(dòng)的物體在時(shí)間上的變化會(huì)相應(yīng)的導(dǎo)致其尺度上的改變，這是狹義相對(duì)論的特點(diǎn)。十年之后，在此基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論對(duì)掌握一切恒星和星系運(yùn)動(dòng)的萬(wàn)有引力作了極為精辟的闡述。有了這樣的成就，愛(ài)因斯坦對(duì)自然萬(wàn)物之間必有統(tǒng)一之力的設(shè)想似乎指日可待。

1930年，尼爾斯·玻爾和一代勇敢的物理學(xué)家們對(duì)物質(zhì)深層的微觀世界進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)了令人迷惑不解的量子力學(xué)，一個(gè)從根本上全新的物理概念和數(shù)學(xué)規(guī)則。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)讓現(xiàn)代物理學(xué)完全進(jìn)入了全新的領(lǐng)域。盡管量子力學(xué)對(duì)原子和亞原子粒子形態(tài)的預(yù)測(cè)十分成功，但是，卻完全無(wú)法與愛(ài)因斯坦對(duì)萬(wàn)有引力的陳述相融洽。廣義相對(duì)論用于宏觀大世界，如恒星，星系，以及宇宙本身的膨脹，并且提供了有效的解釋框架;而量子力學(xué)卻應(yīng)用于微觀小世界，分子，原子，以及比原子更小的粒子，如電子和夸克，同樣也是精確有效。這兩個(gè)理論工具，卻是完全沖突的。物理學(xué)家們?cè)噲D將這二者融為一體，從而尋找到一個(gè)包羅萬(wàn)象的宇宙定律。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，他們埋頭苦干，卻屢戰(zhàn)屢敗，讓他們沮喪之極。

直到1984年12月，出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)，美國(guó)加州理工大學(xué)的約翰·施瓦茨教授和當(dāng)時(shí)還在瑪麗·皇后學(xué)院的邁克爾·格林教授發(fā)表了一篇論文，提出弦理論可以克服廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間在數(shù)學(xué)上的對(duì)立，因此，可以掃清通往建立宇宙統(tǒng)一理論的障礙。弦統(tǒng)一理論聽(tīng)起來(lái)很誘人，基本原理也簡(jiǎn)單。自20世紀(jì)初以來(lái)，物理學(xué)界對(duì)組成自然界物體的不可分割粒子（最小粒子）已有基本模式。物質(zhì)的基本組成就是我們熟悉的電子、夸子和中微子，它們就好像是內(nèi)部空空如也的無(wú)限小的點(diǎn)。弦理論提出了一個(gè)大膽的設(shè)想：每個(gè)粒子中心都是一條細(xì)小的像弦一樣不停振動(dòng)的絲。根據(jù)這一理論，弦的振動(dòng)模式不同會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的大小差異，電荷的正負(fù)，更不可思議的還有自旋和核性能的不同，而這些差異就是之所以構(gòu)成物質(zhì)的不同的基本粒子的原因。

古希臘的哲人畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為宇宙是由音符和旋律構(gòu)成的樂(lè)章。弦理論正是以?xún)?yōu)美的數(shù)學(xué)模型回應(yīng)了這一猜想。正如大提琴每根弦會(huì)彈奏不同的音符一樣，根據(jù)弦理論，細(xì)小弦絲的振動(dòng)模式不同，形成的粒子也不同。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一系列的粒子，它們就像不同的音符一樣，構(gòu)成了大自然的和諧樂(lè)章。

量子力學(xué)假定有一種粒子會(huì)把重力從一處傳遞到另一處，叫作“重力子”。令人驚喜的是，借助于數(shù)學(xué)運(yùn)算，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其中一些“音符”的特征與假想粒子“重力子”的特征完全吻合。這一發(fā)現(xiàn)引起了整個(gè)物理學(xué)界的關(guān)注。物理學(xué)家首次驗(yàn)證了萬(wàn)有引力和量子力學(xué)遵從同一游戲規(guī)則，至少在理論上是這樣的。

大家爭(zhēng)先恐后地?cái)D進(jìn)這個(gè)似乎前景無(wú)限的新領(lǐng)域，在擁擠的會(huì)議室和走廊上，到處都在討論被稱(chēng)為可能是“終極理論”或“宇宙統(tǒng)一論”的弦理論話題，都在期待著弦理論登上王座的那一天。

開(kāi)普勒設(shè)想的畢達(dá)哥拉斯式的宇宙模型

隨著科學(xué)家們關(guān)注的深入，越來(lái)越多的人開(kāi)始質(zhì)疑最簡(jiǎn)單也是最重要的問(wèn)題：弦理論是正確的嗎？數(shù)學(xué)能否詮釋我們的宇宙？是不是對(duì)每個(gè)粒子做檢測(cè)，如果你發(fā)現(xiàn)了細(xì)小振動(dòng)的弦，就算大功告成了？不單單是理論上會(huì)提出這樣的問(wèn)題，弦理論的先驅(qū)者們其實(shí)已經(jīng)意識(shí)到在現(xiàn)實(shí)中檢測(cè)弦理論的正確與否是行不通的。弦理論對(duì)弦的尺度定義非常的小，要檢測(cè)到它，就是用世界上最強(qiáng)大的粒子加速器運(yùn)行一分鐘所產(chǎn)生的能量也不夠，更不要說(shuō)還需要一個(gè)如銀河系般大的對(duì)撞機(jī)。如果弦是真實(shí)存在的，他們也不會(huì)乖乖地等著你來(lái)探測(cè)的。更糟的是研究人員還面臨著一個(gè)巨大而又令人費(fèi)解的數(shù)學(xué)上的難題。我們每天生活在三維空間里，可以上下左右前后任意行進(jìn)。但弦理論定律要求有更多的維度。這一問(wèn)題將研究人員逼到絕路：是接納有超過(guò)三維的多維空間這種完全違背我們認(rèn)知的假設(shè)，還是放棄弦理論？

20世紀(jì)早期，理論物理學(xué)家們的一個(gè)想法給弦理論帶來(lái)了靈感。當(dāng)時(shí)學(xué)者們提出了兩類(lèi)空間維度：一種是大而平展的，就像我們本身生活于其中的空間一樣，另一種是小而緊裹的，小到我們用最精密的儀器也無(wú)法觀察到。就好像一個(gè)展開(kāi)的巨大地毯，你一眼看見(jiàn)的是平整的地毯，但蹲下仔細(xì)觀看才能看見(jiàn)那縱橫交錯(cuò)的編織紋路。宇宙存在一個(gè)人們可以隨意走動(dòng)的三維空間，但也可能還有其他維度空間，它們小到以我們目前的技術(shù)還無(wú)法看見(jiàn)。1985年新年后的一天，物理學(xué)家四人組：菲利普·坎德拉斯、加里·霍洛維茨、安德魯斯·勞明格和愛(ài)德華·威廉提交了一篇待發(fā)表的文章，將多維空間的設(shè)想往前推進(jìn)了一步，他們斷定這些維度是非常小的。這很自然解釋了我們?yōu)槭裁匆恢笨床灰?jiàn)它們，同時(shí)也提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證它們的線索。

宇宙可能存在以目前的技術(shù)還難以發(fā)現(xiàn)的其他維度空間。

因?yàn)橄姨?，所以?dāng)它們波動(dòng)時(shí)不僅在大的三維空間波動(dòng)，同時(shí)也在很小的其他維度波動(dòng)。就像吹圓號(hào)，空氣的振動(dòng)模式不同，發(fā)出聲音就不同，而振動(dòng)模式是由彎來(lái)扭去的樂(lè)器的形狀而定的。弦的振動(dòng)模式也將由它所在的那一維度形狀決定。由于這些振動(dòng)模式?jīng)Q定著粒子的屬性，如質(zhì)量、電荷正負(fù)等等，而這些屬性是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的。因此，四位物理學(xué)家相信，如果你知道那一維度精確的幾何形狀，你就可以預(yù)估粒子的屬性，其結(jié)果也可以通過(guò)特定實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。

對(duì)英國(guó)牛津大學(xué)的博士研究生布萊恩·鮑林來(lái)說(shuō)，求解論文上的方程式就像在靈感的邊緣進(jìn)行一次難得的數(shù)學(xué)之旅。找到多維度空間的幾何形態(tài)就是拿到了隱藏大自然基本構(gòu)成密碼的羅塞塔石碑（羅塞塔石碑是埃及象形文字的解碼石）。1980年代中期，鮑林和他的研究小組開(kāi)始著手收集弦理論的不同預(yù)測(cè)。幸運(yùn)的是，物理學(xué)家四人組已按照弦理論的數(shù)學(xué)推論劃定了多維空間幾何形態(tài)的范疇——只有屈指可數(shù)的幾種。他們從看起來(lái)可能性最大的一種形態(tài)著手，帶著揭示大自然最深層奧秘的偉大想法，開(kāi)始了夜以繼日的大量的高維幾何的艱苦計(jì)算。

最后得出的結(jié)果與粒子物理學(xué)上已確定的粒子的多種特性相洽。盡管這離完全證明弦理論還相差很遠(yuǎn)，但取得這樣的成績(jī)說(shuō)明他們多年的辛苦是值得的。接下來(lái)，他們及其他研究小組又回到劃定的幾何形態(tài)范疇，想要開(kāi)始對(duì)其他可能性進(jìn)行研究。但是幾年下來(lái)，這個(gè)范疇已經(jīng)擴(kuò)大，可能的幾何形態(tài)的數(shù)目已是成千上萬(wàn)。到1990年中期，喬·普琴斯基率先指出幾何形態(tài)的數(shù)目將會(huì)達(dá)到無(wú)法計(jì)數(shù)的地步。面對(duì)如此尷尬的局面，選擇什么樣的幾何形態(tài)，弦理論已經(jīng)無(wú)法給出建議。維度空間幾何形態(tài)的不同，弦的振動(dòng)模式就不同，想要從弦理論假設(shè)的幾何形態(tài)中抽取特別個(gè)案來(lái)作研究的夢(mèng)想很快破滅！

從公眾角度看，從事弦理論的理論物理學(xué)家們對(duì)這樣的局面毫無(wú)準(zhǔn)備。就像一個(gè)保證能拿8塊金牌的奧林匹克運(yùn)動(dòng)員最后卻只拿到5塊金牌一樣，弦理論物理學(xué)家過(guò)高地預(yù)定了目標(biāo)。弦理論證明了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的統(tǒng)一性，其意義深遠(yuǎn)。因?yàn)榱Ｗ雍土υ诟髯缘亩上逻\(yùn)作，能實(shí)驗(yàn)證明其相互關(guān)系，其成功遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)理論上的關(guān)聯(lián)性。但是進(jìn)一步解釋粒子和力的屬性必然是一個(gè)更為遠(yuǎn)大的目標(biāo)，而不是成功與失敗僅隔一線之差那么簡(jiǎn)單。雖然，曾經(jīng)對(duì)弦理論異軍突起，占據(jù)了理論物理主導(dǎo)地位而怒目相向的批評(píng)家們?yōu)橄依碚摰某翜S歡呼雀躍，他們利用這個(gè)機(jī)會(huì)，質(zhì)疑研究人員的誠(chéng)實(shí)，責(zé)備他們毫無(wú)根據(jù)的斷言并沒(méi)能達(dá)到早先預(yù)期效果。當(dāng)刺耳的聲音日益高漲之時(shí)，弦理論的鼻祖之一，美國(guó)斯坦福大學(xué)的理論物理學(xué)家倫納德·薩斯坎德卻強(qiáng)有力的扭轉(zhuǎn)了這個(gè)趨勢(shì)。

2003年8月，在瑞典錫格蒂納的一個(gè)會(huì)議上，薩斯坎德說(shuō)：但我確實(shí)認(rèn)為這就是弦理論想要告訴我們的。（意思是多維的幾何形體就本該是無(wú)以計(jì)數(shù)）如果數(shù)學(xué)無(wú)法給多維空間確定一個(gè)特定的幾何形體，那么也許多維空間的幾何形態(tài)就不是單一的。假設(shè)我們有多個(gè)宇宙，在此意義上，每一個(gè)宇宙的多維空間的幾何形態(tài)都不同，那么所有的幾何形態(tài)都可能是正確的。

這樣說(shuō)來(lái)我們的宇宙就只是浩瀚宇宙群體中小小的一員，每一個(gè)宇宙的特性都由它們?nèi)S空間的幾何形態(tài)而定。那么，為什么我們?cè)谶@個(gè)宇宙中而不是在任何其他的一個(gè)宇宙中？那么因?yàn)槲粗S度空間的形態(tài)導(dǎo)致的一系列物理特性讓我們得以生存。舉例而言，另一個(gè)宇宙維度空間幾何形態(tài)產(chǎn)生的電子可能會(huì)重一點(diǎn)或者核力量會(huì)弱一點(diǎn)，這樣微小的變化會(huì)足以終止量子的各種進(jìn)程，從而使太陽(yáng)和恒星無(wú)從獲得動(dòng)力，影響地球生命的形成。

盡管這一想法很偏激，卻得到了宇宙平行發(fā)展論的支持。宇宙平行發(fā)展論認(rèn)為宇宙大爆炸不是獨(dú)特事件，它只是無(wú)數(shù)大爆炸事件的一個(gè)。而每一個(gè)大爆炸就導(dǎo)致一個(gè)宇宙的膨脹，這就是多元宇宙。薩斯坎德認(rèn)為弦理論充滿了浩瀚的無(wú)數(shù)宇宙世界中，它用形態(tài)各異的幾何形態(tài)來(lái)裝扮每一個(gè)宇宙內(nèi)不同的維度。

有無(wú)弦理論，多元宇宙都是當(dāng)之無(wú)愧的一個(gè)極具爭(zhēng)議的模式。它不僅重鑄現(xiàn)實(shí)的景觀，還改變了科學(xué)的杠桿。曾經(jīng)被視為深刻且令人百思不得其解的問(wèn)題：比如為什么大自然給予的數(shù)據(jù)，從粒子質(zhì)量到力的強(qiáng)弱，再到太空中的能量都有著特殊的意義？這些曾經(jīng)令人費(fèi)解的問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)眾所周知。但是過(guò)去那些已知的事物屬性不再具有普遍性，而是要由它在宇宙某處所處的維度的特定的形態(tài)而決定。大多數(shù)物理學(xué)家，也包括弦理論家，同意多元宇宙是一種不得已的選擇。然而科學(xué)史也說(shuō)服我們不要僅僅因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果與我們的期望相悖就輕易放棄我們的想法。否則，我們最成功的量子力學(xué)就該早就被扔進(jìn)垃圾堆了（量子力學(xué)描述了我們的現(xiàn)實(shí)世界就是無(wú)數(shù)的可能性）。正如諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主史蒂芬·溫伯格說(shuō)：宇宙不會(huì)關(guān)心理論物理學(xué)家是高興還是不高興。

而今，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)經(jīng)過(guò)近兩年的改進(jìn)，重新開(kāi)始工作。質(zhì)子撞擊的力量會(huì)比先前增強(qiáng)兩倍。研究人員會(huì)使用有史以來(lái)世界上最強(qiáng)的探測(cè)器，在撞擊粒子后尋找證據(jù)，尋找那些不能與現(xiàn)有“物理標(biāo)準(zhǔn)粒子模型”相符合的粒子。獲得諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)家彼得·希格斯半個(gè)世紀(jì)前斷言的玻色子就是這樣在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)被送去改進(jìn)之前找到的。雖然要證明弦的存在，改組后的對(duì)撞機(jī)仍然太弱，但卻可以為證明弦理論提供一些線索。

基于弦理論高度有序的數(shù)學(xué)公式推算，出現(xiàn)一類(lèi)被稱(chēng)為“超對(duì)稱(chēng)”的粒子。許多研究員就寄希望于找到這樣的“超對(duì)稱(chēng)”粒子。撞擊產(chǎn)生的其他信息可能會(huì)引發(fā)一些額外維度的線索，甚至發(fā)現(xiàn)微型黑洞（一種源于弦理論的在微型范疇內(nèi)存在的黑洞）的一些證據(jù)也不是不可能。

所有這些預(yù)測(cè)還是不能成為弦理論存在證據(jù)。但這些預(yù)測(cè)卻被應(yīng)用于其他一系列的理論中。我們積極一點(diǎn)就是要向希格斯玻色子看齊（即發(fā)展弦理論以期獲得諾貝爾獎(jiǎng)），謙虛一點(diǎn)說(shuō)就是在物理學(xué)界產(chǎn)生影響，讓天秤偏向弦理論。

根據(jù)目前所發(fā)生的一切事件來(lái)看，很有可能即使是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)也尋不到弦的任何蹤跡。

實(shí)驗(yàn)是證明對(duì)錯(cuò)的最后仲裁者，弦理論還無(wú)法在試驗(yàn)中作任何檢測(cè)。但是理論的價(jià)值卻不能如此評(píng)估，還要看它對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的影響力。弦理論幾十年的理論分析填滿了幾千篇論文，這對(duì)整個(gè)跨物理和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大的影響。拿黑洞為例，斯蒂芬·霍金在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)了黑洞內(nèi)部的無(wú)序現(xiàn)象，而弦理論論證了它可以鑒別黑洞內(nèi)的無(wú)序粒子，從而解決這一令人頭痛的難題。

盡管始終還無(wú)法將弦理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，但弦理論的影響仍不減當(dāng)年。盡管其主要成就還停留在統(tǒng)一量子物理與廣義相對(duì)論上，但它的誘惑力卻更深了一步。物理學(xué)家們幾百年來(lái)細(xì)心研究出的最優(yōu)秀的理論，在弦理論宏偉的數(shù)學(xué)架構(gòu)中得到了論證。很難相信這樣的共識(shí)只是一種偶然巧合。

如果愛(ài)因斯坦能看到弦理論研究所走過(guò)的路，他的臉上會(huì)露出會(huì)心的笑容。他會(huì)一邊欣賞著弦理論卓越的幾何特征，一邊對(duì)通往統(tǒng)一理論漫長(zhǎng)而曲折的道路上艱難跋涉的同仁們感佩不已。無(wú)一例外的，科學(xué)的強(qiáng)大之處就在于它能進(jìn)行自我矯正，盡管也有可能幾十年過(guò)去之后，仍舊一無(wú)所獲。科學(xué)家相信：弦理論會(huì)逐漸被數(shù)學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域容納，然后慢慢展現(xiàn)出它獨(dú)特的魅力。這期間，需要巨大的耐心和大量細(xì)致的研究。等到實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明弦理論的那一天終于來(lái)到，后人回顧我們的時(shí)代，他們看到的就是一個(gè)變革的時(shí)代，是科學(xué)家們堅(jiān)忍不拔地孕育出卓越的充滿挑戰(zhàn)性的科學(xué)理論的時(shí)代，是對(duì)我們身處其中的現(xiàn)實(shí)世界的理解邁出了最關(guān)鍵的幾步的時(shí)代。

盡管備受爭(zhēng)議，弦理論仍然是我們尋找統(tǒng)一宇宙理論的最大希望所在