第1章 同一根弦
如果說誰想把事實藏起來，那也太戲劇了。不過，半個多世紀以來，物理學家心裡明白，即使對歷史上某些最大的科學成就來說，在遠方的地平線上也飄浮著烏雲。問題在於，現代物理學所依賴的是兩大支柱。一個是愛因斯坦的相對論，它為我們從大尺度認識宇宙（如恆星、星系、星系團以及比它們更大的宇宙自身的膨脹）提供了理論框架；另一個是量子力學，我們用這個框架認識了小尺度下的宇宙：分子、原子以及比原子更小的粒子，如電子和夸克。幾十年來，兩個理論的差不多所有預言都在實驗上被物理學家以難以想像的精度證實了。但同樣的這兩個理論工具，卻無情地把我們引向一個痛苦的結論：從廣義相對論和量子力學今天的形式看，它們不可能都是正確的。在過去的百年裡，我們獲得了巨大的進步——解釋了宇宙的膨脹，也認識了物質的基本結構——然而，作為這些進步的基礎的兩個理論，卻是水火不相容的。
如果你以前沒有聽說過這一場火暴的對抗，你也許很想知道那是為什麼。這個問題回答起來並不是很困難。除了某些最極端的情形，物理學家研究的東西，要麼是小而輕的（如原子和它的組成部分），要麼是大而重的（如恆星和星系），從來沒有兼具兩樣性質的。也就是說，對某一樣事物，他們只需要量子力學或廣義相對論就夠了，至於另一家理論怎麼大聲告誡，可以不屑一顧。50年來，這方法雖然並不令人高枕無憂，但卻是非常嚴密的。
宇宙就可能是極端情形。在黑洞的中央，大量物質被擠壓到一個極小的空間裡；在大爆炸的時刻，整個宇宙從比沙粒還小的微塵中爆發出來。這些就是“小而重”的領域，體積很小，而質量大得嚇人，所以量子力學和廣義相對論應該一起走進來。以後我們會越來越明白，當廣義相對論與量子力學的方程結合時，會像一輛破車，搖晃、顛簸、丁當匡啷，噴出一路的廢氣。說白了，那就是，一個良好的物理學問題從兩家理論不幸的結合中得到了無聊的結果。即使喜歡讓黑洞的內部和宇宙的開端繼續躲在神秘背後的人，也不禁會感覺到，量子力學和廣義相對論之間的水與火的對抗，只有在更深的層次上才會平息下來。話又說回來，宇宙在最基本的水平上就不能是分離的嗎？它也許當真需要拿一組定律來寫大東西，而拿另一組不相容的定律去寫小的呢。
超弦理論響亮地告訴我們，不是那樣的。與令人仰止的量子力學和廣義相對論巨人相比，超弦理論不過是初生的牛犢。全世界物理學家和數學家過去十年的研究發現，這種在最基本層次上描寫事物的方法，緩解了廣義相對論與量子力學間的緊張關係。實際上，超弦帶來了更多的東西：在這個新框架下，廣義相對論和量子力學的相互需要才使理論有意義。根據超弦理論，“大”定律與“小”定律的結合，不但是幸福的，也是注定了的。
這當然是好事情。而超弦理論——簡單說，即弦理論——則將這結合大大往前推進了一步。為了一個能把所有的自然力、所有的物質編織成一幅錦繡圖畫的統一的物理學理論，愛因斯坦曾追尋了30年。他失敗了。今天，在新千年的黎明，弦理論的擁戴者們宣稱，那幅迷人的統一圖景終於出現了。弦理論有能力證明，發生在宇宙間的一切奇妙的事情——從亞原子世界裡夸克瘋狂的舞蹈，到太空中飛旋雙星高雅的華爾茲；從大爆炸的原初火球，到星河的壯麗漩渦——都體現著一個偉大的物理學原理，一個偉大的數學方程。
弦理論的這些特徵要求我們極大地改變對空間、時間和物質的認識，所以我們需要花一些時間來熟悉它，在一定水平上理解它。不過我們也會發現，從它本來的背景看，弦理論雖然來得突然，卻是過去百年物理學革命性發現的自然產物。實際上，我們將看到，像廣義相對論和量子力學那樣可怕的衝突不是第一次，而是我們在過去百年裡遭遇的兩次大衝突的結果，那每一次衝突的解決，都使我們對宇宙的認識發生了奇妙的改變。
三次衝突
第一次衝突早在19世紀末就出現了，與光運動的奇特性質有關。簡單地說，根據牛頓的運動定律，誰如果跑得足夠快，就能趕上遠去的光束；而根據麥克斯韋的電磁學定律，誰也跑不過光。我們在第2章會討論，愛因斯坦通過他的狹義相對論解決了這個矛盾，並因此徹底推翻了我們對空間和時間的認識。根據狹義相對論，空間與時間不再是牢固不變的普適概念，任何人都一樣去經歷；相反，它們在愛因斯坦的新理論中是以靈活多變的結構出現的，形式和表現依賴於運動的狀態。
狹義相對論的發展很快引來了第二次衝突。愛因斯坦理論有個結論說，任何物體——實際上包括任何形式的影響和干擾——都不可能跑得比光還快。但是，正如我們在第3章要討論的，牛頓那成功經歷了無數實驗而且大家都感覺滿意的引力理論，卻牽涉到瞬時通過巨大空間距離的作用。這一次，又是愛因斯坦走上前來，憑他1915年廣義相對論的引力新概念，化解了這個矛盾。空間和時間不僅受運動狀態的影響，在物質和能量出現時，還會發生彎曲。我們將看到，空間和時間結構的這種扭曲將引力作用從一個地方傳到另一個地方。於是，我們不能再把空間和時間看成宇宙萬物表現自我的死寂的帷幕；實際上，在狹義相對論和後來的廣義相對論中，它們本身也是那些事件的直接表演者。
歷史再次重演：廣義相對論的發現在解決一個衝突的同時，又帶來另一個。當19世紀的物理學概念用在微觀世界的時候，出現了大量令人眼花繚亂的問題，因為這些，自1900年以來的30年裡，物理學家們開創了量子力學（在第4章討論）。前面講過，那第三個（也是最深刻的一個）衝突，就源自量子力學與廣義相對論的水火不容。在第5章我們還將看到，源於廣義相對論的彎曲的空間幾何形式總是與量子力學蘊含的狂亂的微觀宇宙的行為不相容的。到了20世紀80年代中期，弦理論帶來一種解決辦法，這個衝突才當然地成為現代物理學的中心問題。而且，從狹義和廣義相對論成長起來的弦理論，自身也要求嚴格地修正我們關於時間和空間的概念。例如，我們大多數人都想當然地認為我們的宇宙有3個空間維，但在弦理論看來不是這樣的。它認為，宇宙的維數比我們眼睛看到的更多——那些維都緊緊地捲縮在宇宙褶皺的結構中。這個對空間和時間本性的了不起的發現太重要了，在下面，我們將一直用它來做嚮導。從真正意義說，弦理論講的就是自愛因斯坦以來的空間和時間。
為理解弦理論到底是什麼，我們需要回到從前，簡單說說在過去的一個世紀裡，我們關於宇宙的微觀結構都學會了些什麼。
最小的宇宙：關於物質的認識
古希臘人猜想，宇宙的物質是由一些他們叫原子的“不可分割的”原料構成的。他們想，大量的物質都應該是少量不同的基本材料組合的結果，就像在拼音文字裡，數不盡的詞語都是由那麼少的幾十個字母組合生成的。這真是先知的猜想。2000多年過去了，我們還認為它是正確的，儘管那些最基本的物質單元已經歷了無數認識的轉變。19世紀，科學家發現許多熟悉的物質（如氧和碳）都有一種可以識別的最小組成單元，遵照古希臘人的傳統，他們稱它為原子。名字確定下來了，但歷史證明那是一個誤會，因為那些原子當然是“可以分割的”。到20世紀30年代初，J·J·湯姆遜（J.J.Thomson）、盧瑟福（Ernest Rutherford）、玻爾（Niels Bobr）和查德威克（James Chadwick）的工作建立了我們熟悉的原子的太陽系模型。原子遠不是什麼最基本的物質成分，它有一個包含著質子和中子的核，核外還繞著一群旋轉的電子。
有一段時間，許多物理學家都認為質子、中子和電子就是希臘人的“原子”。但是在1968年，斯坦福直線加速器中心的實驗家們利用強大的技術力量探索了物質的微觀層次，發現質子和中子都不是基本的。反過來，他們證明了那兩個“原子”都由3個更小的粒子構成，那些粒子叫夸克——一個古怪的名字，是理論物理學家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）從喬伊斯（James Joyce）的小說《芬尼根守夜者》裡找來的，他早就猜想可能存在著那種粒子。實驗家證明，夸克本身有兩種，它們的名字不那麼有創意，一個叫上，一個叫下。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。
我們在天地間看到的一切事物似乎都是由電子、上夸克和下夸克的組合構成的。沒有實驗證據說明它們還由更小的東西構成。但卻有大量證據表明，宇宙還存在著其他粒子成分。20世紀50年代中期，雷恩（Frederick Reines）和柯萬（Clyde Cowan）發現了第四種基本粒子的確鑿實驗證據，它叫中微子——它的存在，泡利（Wolfgang Pauli）早在20世紀30年代初就預言過了。後來發現，中微子很難找到，它們像幽靈一樣，很少與其他物質發生相互作用，能穿透幾百億千米厚的鉛，而運動幾乎不受影響。這樣你可能會感到輕鬆多了：因為在你讀這句話時，太陽向太空噴發的幾十億個中微子正在穿過你的身體，然後穿過地球，繼續它們在宇宙間孤獨的旅行。20世紀30年代末，物理學家在研究宇宙線（從外太空向地球傾瀉的粒子流）時，又發現了一種叫μ子的基本粒子——除了比電子重200倍左右，它們是一樣的。μ子在宇宙間的存在，既不是什麼事物要求的，也不是人們為解決什麼疑問提出的，更不是誰精心設計的。所以，獲得諾貝爾獎的粒子物理學家拉比（Isidor Isaac Rabi）對μ子的發現沒多大熱情，“誰讓它來的？”不管怎麼說，它來了，而且還跟著來了好多新粒子。
物理學家們憑著前所未有的技術力量，不斷地用越來越大的能量將物質擊碎，時刻重現大爆炸以來的那些誰也不曾見過的創生條件。他們從碎片裡尋找新的元素，粒子清單越來越長。看看他們發現的東西：另外四種夸克——粲、奇、底和頂——還有一個更重的電子兄弟，τ；另外兩個性質與中微子相同的粒子（叫-中微子和τ-中微子，以區別於原來的那個電子中微子）。這些粒子在高能碰撞中產生，不過是曇花一現；在我們通常遇到的任何事物裡都沒有它們的影子。但是，故事還遠沒結束。每一個這樣的粒子都有一個反粒子——質量相同，而在其他某些方面相反（例如電荷；還有與其他力相應的荷，我們在下面討論）。舉例說，電子的反粒子叫正電子——它的質量跟電子相同，但電荷為+1（而電子的電荷為-1）。物質和反物質接觸時，會相互湮滅，生成純粹的能量——難怪在我們周圍的世界裡自然出現的反物質會那麼少。
物理學家在這些粒子間分辨出一種模式，如表1.1。物質粒子正好分成三組，通常被稱為族。每一組包括2個夸克和1個電子，或者電子的夥伴，以及1個相應的中微子。三族中同一行相應的粒子除了質量依次增大而不同外，性質是完全一樣的。結果，物理學家現在追溯到了百億億分之一米尺度的物質結構，而且證明了我們到目前為止所遇到的每一樣事物——不論是自然出現的，還是通過加速器人工產生的——都是由這三族粒子和它們的反物質夥伴組合成的粒子構成的。
表1.1 3族基本粒子及其質量（以質子質量未單位）。中微子質量至今還沒有在實驗上確定。
從表1.1看，我們對μ子的發現無疑會比拉比更感迷惑。族的劃分至少從表面上顯出某種秩序，然而數不清的“為什麼”也接踵而來。為什麼有那麼多基本粒子——特別是，我們周圍世界的大多數事物似乎只需要電子、上夸克和下夸克就夠了？為什麼有三族？為什麼不是一組、四族或者更多？為什麼粒子質量看起來是隨機分佈的——例如，為什麼τ子比電子重約3520倍？為什麼頂夸克比上夸克重40200倍？這些數都很奇怪，似乎是隨機數。它們是偶然出現的，還是什麼神靈選擇的？我們宇宙的這些基本特徵能有一個綜合的科學解釋嗎？
力——光子在哪兒
當我們考慮自然力的時候，問題就變得複雜多了。我們的世界充滿了施加影響的方式：球拍將球打出，蹦極愛好者從高高的平台跳下，磁體讓列車懸浮在金屬軌道上飛奔，蓋革計數器響應放射性物質時發出“滴答”的聲音，原子彈爆炸……我們可以用力推、拉或者搖動物體；可以把一個物體打進另一個物體；可以拉伸、扭轉或者粉碎一個物體；還可以令一個物體冷卻、加熱或者燃燒。在過去的百年裡，物理學家積累了大量證據，說明這些不同事物間的相互作用，以及我們尋常遇到的萬千事物間的相互作用，都可以歸結為四種基本力的組合。其中之一是引力，另外三種力是電磁力、弱力和強力。
引力是大家最熟悉不過的，它不但讓我們能牢固地腳踏大地，而且還維持著我們不停地繞著太陽轉。物體質量有多大，決定著它能產生多強的引力，對引力會有多大的反應。電磁力在四種力中也是大家熟悉的，它是現代生活中一切方便的動力——例如光、計算機、電視、電話——它在電閃雷鳴時露出猙獰，也在輕輕觸摸的手上留下溫柔。從微觀的角度說，粒子電荷在電磁力中扮演著物質質量在引力中的角色：決定粒子能產生多強的電磁力，對電磁力有多大的反應。
強力與弱力比較陌生，因為它們在超過亞原子尺度以外就完全失去作用了，它們是作用在原子核中的力。難怪這兩種力的發現要晚得多。強力將夸克“膠結”在質子和中子內部，又把質子和中子緊緊捆在一起塞進原子核。弱力最為人所熟悉的作用是物質（如鈾和鈷）的放射性衰變。
在過去的世紀裡，物理學家發現所有這些力有兩點共同特徵。第一點，我們將在第5章討論，在微觀層次上，所有的力都關聯著一個粒子，我們可以把那粒子想像為最小的力元。當我們從“電磁射線槍”射出一束激光時，我們實際是在打開光子的激流，也就是最小的一束電磁力。同樣，弱力和強力場的最小單元是一些叫弱規範玻色子和膠子的粒子。（膠子這個名字特別形象，我們可以想像它是把原子核凝結起來的那種強力膠合劑的微觀成分。）到1984年時，實驗家們已經確定了這三種力的粒子的存在和具體性質，如表1.2。物理學家相信，引力也關聯著一種粒子——引力子——不過它的存在還需要實驗來證明。
表1.2 四種自然力及其相關粒子和質量（以質子質量為單位）。（弱力的粒子有兩種可能的質量。理論研究證明引力子是沒有質量的。）
第二個共同點是，力由某種“荷”來決定。如質量決定引力如何對粒子產生作用，電荷決定電磁力如何發生影響，粒子還被賦予一定的“強荷”和“弱荷”，它們決定著粒子如何感應強力和弱力的作用（這些性質詳細地列在本章註釋的表中1）。1但是，跟質量的情形一樣，我們只知道實驗物理學家們仔細測量過那些性質，而沒有誰能解釋為什麼我們的宇宙由具有那些特殊質量和力荷的特殊粒子構成。
儘管基本力有這些共同的特徵，但是考察它們卻只不過使問題更複雜了。例如，為什麼有四種基本力？為什麼不是五種、三種甚至一種？為什麼這些力會有那麼多不同的性質？為什麼強力和弱力只能在微觀尺度上發生作用，而引力和電磁力卻具有無限的作用範圍？還有，為什麼這些力的固有強度會有那麼大的懸殊？
為說明最後這個問題，我們想像左手拿一個電子，右手拿一個電子，然後讓這兩個完全相同的帶電粒子靠近。粒子間的相互引力有助於它們靠攏，但電磁斥力卻會把它們分開。哪種力更強呢？根本沒法兒比：電磁斥力比引力強百億億億億億（1042）倍！如果說右臂代表引力的大小，那麼，為了讓左臂能代表電磁力的大小，它必須伸展到我們已知的宇宙邊緣的外面。在我們身邊，電磁力並沒有完全壓倒引力，那是因為大多數事物都由等量的正負電荷構成，它們的電磁力相互抵消了。而另一方面，引力總是相互吸引的，不會消減——東西越多，引力就越大。不過根本說來，引力是極端微弱的。（所以，從實驗來證實引力子的存在是很困難的。尋找最微弱的力的最小作用單元，是多大的挑戰啊！）實驗還證明，強力比電磁力強100倍，而比弱力強10萬倍。但是，宇宙憑什麼有這樣的性質——“存在理由”在哪兒？
一件事情為什麼恰好是這樣而不是那樣，是鑽牛角尖兒的問題，但我們現在的問題可不是那樣的。即使物質和作用粒子的性質稍有改變，宇宙就會大為不同。例如，強力與電磁力的強度比例微妙地決定著構成化學元素週期表上百餘種元素的穩定原子核的存在。擠在原子核裡的質子因電磁作用而相互排斥，多虧了作用在質子裡夸克間的強力才克服了排斥而把它們緊緊繫在一起。但是，假如兩種力量的相對強度發生極小改變，就很可能破壞它們之間的平衡，使大多數原子核發生分裂。而且，假如電子質量再大幾倍，它就會與質子結合成中子，吞噬氫原子核（宇宙間最簡單的元素，核裡只有一個質子），從而破壞更複雜元素的產生。恆星的存在依賴於穩定核之間的聚變，如果基本的物理學發生了那些改變，它們也不復存在了。引力的大小也影響恆星的形成。擠壓在恆星中心的物質密度是它核熔爐的能源，也是星光的源泉。假如引力的強度增大了，恆星會裹得更緊，從而大大提高核反應的速率。但是，正如烈焰比燭光能更快燒盡燃料，核反應速率的提高會使恆星（如太陽）更快消亡，給我們所知的生命的形成帶來致命的災難。反過來，假如引力強度大大減弱，物質根本就不能聚集在一起，當然更不可能形成恆星和星系了。
我們還可以繼續說下去，不過意思已經清楚了：宇宙之所以如此，是因為物質和作用粒子具有那樣的性質。但是，它們為什麼有那些性質呢？有科學的解釋嗎？
弦理論：基本思想
弦理論帶來了強有力的概念和範式，第一次提出了回答那些問題的框架。我們先來看看基本思想。
表1.1里的粒子是一切物質的基本單元，像語言學裡的“字母”一樣，它們看來也不會有什麼更深層的結構。弦理論卻另有說法。根據弦理論，假如我們以更高的精度——比現有技術高許多數量級的精度——去考察那些粒子，我們會發現它們並不是點狀的粒子，而是由一維的小環構成的。每一個粒子都像一根無限纖細的橡皮筋，一根振蕩、跳動的絲線。物理學家沒有蓋爾曼那樣的文學天才，2
圖1.1 物質由原子組成，而原子由夸克和電子組成。根據弦理論，所有這些粒子實際上是振動著的一根閉合的弦。
就把它叫弦。我們在圖1.1里說明了弦理論的基本思想：從一個普通的蘋果開始，不斷地放大它的結構，顯出越來越小的組成。以前我們從原子走到質子、中子、電子和夸克，現在弦理論在它前面增添了一根微觀的振動的線圈。2
雖然不是顯而易見的，我們在第6章還是可以看到，單純地以弦來代替點粒子的物質組成，解決了量子力學與廣義相對論之間的矛盾。於是，弦理論解開了當代理論物理學的戈迪烏斯結。3這是巨大的成就，但弦理論如此激動人心並不僅僅是因為這一點。
弦理論：萬物的統一理論
在愛因斯坦的年代，強力和弱力還沒有發現，但他還是為存在兩種截然不同的力——引力和電磁力——感到困惑。愛因斯坦不相信大自然會建立在那麼奢華的設計圖上。於是，他走上了30年的探尋歷程，他希望能找到一個統一場論來說明這兩種力不過是同一個大的基本原理的不同表現。這場堂吉訶德式的追求將愛因斯坦從物理學主流裡孤立出來。可以理解，物理學家們那時正激動地投入正在興起的量子力學。愛因斯坦在40年代初給朋友的信裡說，“我成了孤獨的老頭兒，大概主要是因為不穿襪子而出了名，有時候還被當成珍稀動物在特殊場合展覽。”4
愛因斯坦走在了時代的前頭。半個多世紀以後，他的統一理論之夢成為現代物理學的聖盃。很大一部分物理學家和數學家越來越相信，弦理論可能會帶來答案。從一個原理出發——萬物在最微觀的層次上是由振動絲絃的組合構成的——弦理論提供了一個能囊括一切力和物質的解釋框架。
例如，弦理論認為，我們觀測到的粒子性質，表1.1和表1.2所列的那些數據，不過是弦的不同振動方式的反映。我們知道琴弦（提琴或鋼琴）都有共振頻率，即弦傾向的振動頻率，也是我們耳朵聽到的不同的音調與和聲——同樣，弦理論裡的環也有這樣的性質。不過，我們將看到，弦理論的弦在共振頻率處的振動不是產生什麼音樂，而是出現一個粒子，粒子的質量和力荷由弦的振蕩模式決定。電子是以某種方式振動的弦，上夸克是以另一種方式振動的弦，等等。在弦理論中，粒子的性質絕非一堆混亂的實驗結果，而是同一物理特性的具體表現：基本閉合弦的共振模式——也可以說是弦的音樂。這種思想也適用於自然力。我們將看到，作用力的粒子也關聯著特定的弦振動模式，從而天地萬物，一切的物質和所有的力都統一到了微觀弦振蕩的大旗下——那就是弦奏響的“音樂”。
這樣，我們在物理學史上第一次有了一個能解釋宇宙賴以構成的所有基本特徵的框架，因此有時人們說弦理論可能是一個“包羅萬象的理論”（theory of everything, T.O.E.）或者是一個“終極”理論。5這些浮華的字眼兒不過用來強調那可能是一個最深層的理論——是其他一切理論的基礎，而不需要甚至不允許有更基本的理論來解釋它。不過，許多弦理論家還是以更老實的態度來看待“萬象的理論”，在有限的意義上思考這個理論有多大能力來解釋基本粒子的性質和粒子間相互作用的力的性質。固執的還原論者卻認為那不是什麼極限，從原則上講，從宇宙大爆炸到人類幻想的一切事物，都可以用關於物質基本結構的微觀物理學過程來描述。在還原論者看來，認識了事物的組成，也就認識了事物本身。
還原論者的哲學很容易激起爭論。他們認為，生命和宇宙奇跡不過是循著物理學定律規定的舞步不停舞動著的微觀粒子的反映，很多人感到這種觀點愚蠢而令人厭倦。難道我們快樂、憂愁和無聊的感覺真的就是發生在大腦裡的化學反應嗎？——真的是分子和原子間的反應嗎？或者，更微觀地說，真的是表1.1中的那些原本是振蕩的弦的粒子之間的反應嗎？為回答這些批評，曾獲諾貝爾物理學獎桂冠的S·溫伯格（Steven Weinberg）在《終極理論之夢》中告誡說：
反還原論者的另一極端是，他們為其所感覺的現代科學的荒蕪感到沮喪。不論他們和他們的世界能在多大程度上還原為粒子的物質或場及其相互作用，他們總覺得被那種認識糟蹋了。……我不想用什麼現代科學的美妙來回應那些批評。還原論者的世界觀的確是冷漠的，沒有一點兒人情味，但我們必須忠實地接受它，不是因為我們喜歡，而是因為世界本來就是那樣運行的。6
這種鮮明的觀點，有人贊同，也有人反對。
還有些人曾試圖說明，諸如混沌理論的發展告訴我們，當系統複雜性增大時，會出現一些新的定律來發生作用。認識一個電子或夸克的行為是一回事，用這些知識去理解龍捲風的行為是另一回事。關於這一點，多數人都是贊同的。但是，問題的分歧在於，經常出現在比個別粒子更複雜的系統中的五花八門的意外現象，是否真的說明新物理學原理在發生作用，那些原理是否能夠（哪怕是以非常複雜的方式）從統治大量粒子的物理學原理推導出來？儘管很難用電子和夸克的物理學來解釋颶風的性質，但我以為那只是計算的尷尬，而不是需要新物理定律的信號。當然，這一點也有人不同意。
然而，即使我們接受這種有爭議的固執的還原論觀點，對我們這本書要講述的歷程來說，無疑還存在著嚴重的問題：原理是一回事，實際是另一回事。幾乎所有的人都同意，尋求“一個包羅萬象的理論”並不是說要把心理學、生物學、地質學、化學，哪怕物理學的問題都囊括進來解決。宇宙如此豐富多彩，變化萬千，我們所謂的終極理論，絕不是科學的終結。恰恰相反，發現T.O.E.——在最微觀水平上解釋宇宙，而不需要任何更深層的理論來解釋它自己——將為我們建立宇宙的新認識提供最堅實的基礎。那發現將標誌著一個開始，而不是結束。終極理論將為我們樹立一座不朽的和諧的紀念碑，它讓人們相信，宇宙是可以理解的。
弦理論現狀
本書的中心是根據弦理論解釋宇宙的行為，特別還要強調這些結果對我們認識空間和時間有什麼意義。與其他科學發展的報道不同的是，我們這裡講的理論還沒有完成，沒有經過嚴格的實驗驗證，也沒有完全被科學界接受。這是因為弦理論太深奧、結構太精妙，儘管在過去的20年裡取得了令人難忘的進步，但離我們完整把握它還著實太遠。
所以，弦理論應該看做發展中的理論，而它的部分結果已經帶來了令人驚奇的關於空間、時間和物質的新認識。將廣義相對論與量子力學和諧地統一起來，是它的主要成功。而且，與其他理論不同，弦理論有能力回答有關自然最基本的物質構成和力的原初問題。同樣重要的還有（儘管不太好說），不論弦理論所能提供的答案，還是這些答案的理論框架，都有特別精美的結構。例如，大自然似乎隨意表現的那些細節——如不同基本粒子的數目和各自的性質——在弦理論中都是宇宙幾何的某些基本而實在的表現。如果弦理論是正確的，我們宇宙的微觀結構將是一座錯綜複雜的多維迷宮，宇宙的弦在其中不停歇地捲曲、振動，和諧地奏響宇宙的旋律。大自然基本組成的性質絕不是偶然的，而是深刻地與時空結構交織在一起的。
然而，說到底，還得靠確定的可以檢驗的預言來決定弦理論是否真正揭開了宇宙最深層真理的神秘面紗。要達到那一步，大概還要等一些時候，儘管正如我們將在第9章討論的，實驗驗證在未來10年左右能為弦理論提供有力的旁證。而且，我們在第13章會看到，弦理論最近已經解決了一個與所謂貝肯斯坦-霍金熵相聯繫的有關黑洞的重大難題。20多年來，許多傳統的方法都沒能解決這個問題。這一成功使許多人相信弦理論正在給我們帶來對宇宙行為的最深刻認識。
E·惠籐（Edward Witten）是弦理論的先驅者和卓越的專家，他曾這樣概括弦理論的現狀：“弦理論是21世紀物理學偶然落到20世紀的一個部分”，這話最早是著名意大利物理學家D·阿瑪提（Daniele Amati）說的。7這樣說來，在某種意義上，它有點兒像把一台現代的超級計算機擺在19世紀末的前輩面前，卻沒有操作指令。通過創造性的反覆試驗也能顯現這台計算機的威力，但要真正把握它還需要更艱辛和長久的努力。計算機的潛在威力跟我們看到的弦理論的強大解釋能力一樣，將激發人們完全把握它們的強烈願望。同樣的動機在今天正激勵著一代理論物理學家去追尋一個精確的解析的弦理論。
惠籐和弦領域的其他專家的言論說明，還要經過幾十年甚至幾百年我們才可能完全建立和理解弦理論。這很可能是對的。實際上，弦理論的數學很複雜，我們至今也不知道理論的方程是什麼。而物理學家只知道那些方程的近似，即使這些近似的方程也夠複雜了，只得到部分的解。不過，在20世紀的最後幾年出現了一系列激動人心的突破——它回答了迄今難以想像的理論難題——大概預示著我們離完全定量認識弦理論比原先想的要近得多。全世界的物理學家們還在發展比現行各種近似方法更優越的技術，以令人驚喜的速度把弦理論疑惑的分離的元素組織起來。
令人驚奇的是，弦理論的這些發展讓我們能夠用更好的觀點來重新解釋一些早已深入人心的理論的基本概念。例如，當我們看表1.1時，會自然生出疑問：為什麼是弦呢？為什麼不是小飛盤呢？為什麼不是一滴滴的小東西？為什麼不是這些可能事物的組合？在第12章我們會看到，最近的研究表明，那些事物在弦理論中的確扮演著重要角色，而且，弦理論不過是更宏大的綜合理論的一部分——那個理論現在（頗為神秘地）叫M-理論。這些最新發展是我們這本書最後幾章的主題。
科學的歷程起伏跌宕，有時碩果纍纍，有時田園荒蕪。科學家推出的結果，不論理論的，還是實驗的，都擺在科學界同仁的面前，任他們評說。這些結果，有時被否定，有時被修正，有時則為我們重新更精確地認識物理學的宇宙帶來思想的飛躍。換句話說，科學曲曲折折地走向我們希望的最後真理，這條路從人類最原始的探索開始，通向我們未知的宇宙盡頭。弦理論是這條路上的一個驛站，一個轉折點，還是最後的終點，我們不知道。不過，數以百計的來自不同國度的物理學家和數學家們最近20年的研究，使我們能滿懷信心地希望，我們正走在正確的道路上，也許離終點不遠了。
憑我們現在的認識水平，也能從弦理論獲得對宇宙行為的新認識，這一點足以證明弦理論是多麼豐富而深刻。我們下面要講的主要內容是這些理論發展，如何將愛因斯坦狹義和廣義相對論開創的空間和時間認識的革命，繼續推向前進。我們將看到，假如弦理論是正確的，那麼我們宇宙結構的某些性質，也可能令愛因斯坦驚訝萬分。
註釋
1.下面的表是表1.1的補充。它記錄了三族粒子的質量和作用荷。每一類夸克都能攜三種可能的強作用荷，我們想像那是夸克的“色”——它代表荷的數值大小。這兒列舉的弱荷準確地應該叫弱同位旋的“第3份量”。（我們沒有列舉粒子的“右手”份量——可以通過沒有弱荷來區別它們。）
2.除了圖1.1畫的圈（閉弦）外，弦也可以是兩端自由活動的（即所謂的開弦）。為表達簡潔，我們多數時候都只談閉弦，不過幾乎所有論述都適合於這兩種情況。
