超弦理論認為，不存在粒子，只有弦在空間運動，各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。自然界中所發生的一切相互作用，所有的物質和能量，都可以用弦的分裂和結合來解釋。
最為奇特的是，弦並不是在平常的三維空間運動，而是在我們無法想像的高維空間運動。我們過去關於空間的觀念都是錯誤的，空間正在以一種陌生得令人驚訝的方式活動著。
粒子的下面是什麼？
眾所周知，物質是由原子組成，而原子由原子核和電子組成，原子核又由質子和中子組成，質子和中子又由夸克組成。那麼，夸克和電子又是由什麼構成的呢？科學家發現，夸克和電子都不可再分了，似乎是沒有內部結構的點粒子，因此把它們稱為基本粒子。基本粒子是一切物質的基本單元，就像英語裡的「字母」一樣。
但是，已知的基本粒子並不僅僅是夸克和電子兩種，而是多達數百種，而且，每一種基本粒子都有它們的反粒子。我們現在把所有的基本粒子分為三大類，通常稱為 「族」：輕子族，包括電子、中微子等；夸克族，包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克和底夸克這六種夸克和各自的反夸克；媒介粒子族，包括光子、膠子等。非常奇怪的是，除了夸克和電子外，大部分基本粒子都不組成更大的物質結構，例如，中微子總是在宇宙中獨來獨往，不與其它物質發生相互作用；媒介粒子則只在其它粒子間傳遞力的作用；還有很多粒子像介子、超子等都極不穩定，通常在極短時間內衰變成其它粒子。
我們知道，電子能像地球繞太陽旋轉那樣繞著原子核運動，但電子能不能也像地球那樣進行自轉呢？按理說，這是不可能的，因為物體在自轉時，其轉軸上有一個固定不動的中心點，電子既然是一個點狀粒子，那它就不會有什麼多餘的「中心點」，它的自旋也就無從談起。但科學家證實，電子仍然像地球那樣，既公轉，也自轉，而且永遠地以固定不變的速率旋轉，這是電子自身固有的性質，稱為「內稟自旋」。而且，所有的基本粒子都有與電子相同的自旋。
然而粒子的自旋與地球自轉是不一樣的，地球的自轉是連續的，粒子的自旋則是間隔性的，也就是說，它的自旋是一跳一跳著進行的。
每一種粒子的所有成員都是相同的，我們不可能把兩個電子或者中微子區別開來。而不同種類的粒子則有著明顯的不同，其主要區別就在於它們的質量、電荷以及內稟自旋都各不相同。
這些基本粒子性質各不相同的原因是什麼？它們為什麼在不停地自旋？這些不同的粒子還能不能找到更深層的、統一的內部結構？這些問題長期以來都在困繞著科學家們。
為何有四種力？
進一步的問題就是，這麼多不同種類的粒子是如何聯繫在一起的？假如宇宙是由很多微小的、相互間沒有關係的物質微粒組成的，它們中的任何一個都是像被「隔離」的，那麼，在這樣的一個宇宙中，就會既無恆星，又無行星和生命，只是一個寂寞的、完全沒有事件發生的微粒集合。
幸運的是，事實並非如此，宇宙中存在著各種類型的力，是它們把散沙般的基本粒子結合在一起，組成了各種各樣的物質，並安排了宇宙間的秩序。這些力從本質上都可歸結為四種基本力：引力、電磁力、強力和弱力。
這四種力的來源是不一樣的。引力源於物體質量的相互吸引，兩個有質量的物體間就存在引力，物體的質量越大，引力就越大。電磁力是由粒子的電荷產生的，一個粒子可以帶正電荷，或者帶負電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸。如果一個粒子不帶電荷，則不受電磁力的影響，不會感受到排斥力和吸引力。強力主要是把夸克結合在一起的力，所以也叫核力。像電磁力一樣，也起源於電荷，不過只是夸克間的電荷，物理學家稱之為「顏色電荷」。弱力的作用是改變粒子而不對粒子產生推和拉的效應，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。
四種力的相對強度以及作用範圍都有著巨大的區別。從相對強度上來說，假定以電磁力的強度為一個單位強度，則強力要比這個單位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到幾乎是可以忽略不計的：在微觀世界中，它只有電磁力的10的40次方分之一！從作用範圍上來說，引力的作用範圍是宇宙範圍的；電磁力的作用範圍在理論上可以達到無限遠，但實際上，大多數物體正負電荷相互抵消，其外部都呈電中性；而強力和弱力的作用範圍則極小，只能在粒子範圍內發生作用
這四種強弱懸殊、性質各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。
現在問題又來了：為什麼有四種基本力？為什麼不是五種、三種或者一種？這四種力為什麼如此不同？為什麼強力和弱力只能在微觀尺度上發揮作用，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差別？
最後的問題是，所有這些力有沒有一個共同的根基？如果有，它們為何又分裂了？
終於，超弦理論來了。
粒子怎樣變成弦？
一連串的疑惑不得不使科學家認真考慮：也許在基本粒子內部存在一種更深層的結構，這種結構尚未被我們所理解。自20世紀60年代以來，在科學家孜孜不倦地努力下，一個新的理論逐漸浮出水面，這就是超弦理論。超弦理論認為，在每一個基本粒子內部，都有一根細細的線在振動，就像小提琴琴弦的振動一樣，因此這根細細的線就被科學家形象地稱為「弦」。
撥動吉他一根弦，你會聽到一個音。撥動另一根弦，你會聽到另一個不同的音調，因為不同的弦振動的模式不同。一個音樂家通過一個吉他的六弦合奏，使這些弦在不同頻率振動，便可創造出無數美妙的音樂。像琴弦的不同振動模式彈出不同的樂音那樣，粒子內部的弦也有不同的振動模式，只不過這種弦的振動不是產生什麼音樂，而是產生一個個粒子。不同粒子的性質由弦的不同振動行為來決定，電子是以某種方式振動的弦，上夸克又是以另一種方式振動的弦，如此等等。
弦與粒子質量的關聯是很容易理解的。弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現象：當我們用力撥動琴弦時，振動會很劇烈；輕輕撥動它時，振動會很輕柔。而依據愛因斯坦的質能原理，能量和質量像一枚硬幣的兩面，是同一事物的不同表現：大能量意味著大質量，小能量意味著小質量。因此，振動較劇烈的粒子質量較大，反之，振動較輕柔的粒子則質量較小。
依照弦理論，每種基本粒子所表現的性質都源自它內部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成，而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上是在相同的弦上彈奏著不同的「音調」。由無數這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。
在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性。現在我們明白了，粒子的波動性就是由弦的振動產生的。
以前，我們想像所有的物質粒子都是點狀的東西，沒有空間大小。但現在我們明白了，那一個個點粒子其實並不是一個個實體的點，而是包含有一片片更微小的空間結構，這樣的空間結構的振動乍看起來像是一個個點，是因為我們目前還沒有更精微的探測技術。
物理學家還發現，弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在著直接的聯繫。同樣的關聯也存於弦振動模式與其它力的性質之間，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強力也完全由它的振動模式決定。
弦如何運動？
弦本身很簡單，只是一根極微小的線，弦可以閉合成圈（閉弦），也可以打開像頭髮（開弦）。一根弦還能分解成更細小的弦，也能與別的弦碰撞構成更長的弦。例如，一根開弦可以分裂成兩根小的開弦；也可以形成一根開弦和一根閉弦；一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦；兩根弦碰撞可以產生兩個新的弦。
但是當一根弦在時空中移動時，它就沒那麼簡單了。弦的運動是如此的複雜，以至於三維空間已經無法容納它的運動軌跡，必須有高達十維的空間才能滿足它的運動（十維空間是數學方程計算的結果）。就像人的運動複雜到無法在二維平面中完成，而必須在三維空間中完成一樣。
點粒子內部的空間不是三維的，可能還有很多維，這似乎非常不可思議，不過，認真想起來，高維空間的存在完全是合理的。為了看清這一點，我們可以舉一個水管的例子。我們知道，水管的表面是二維的，但是當我們從遠處看它時，它卻像是一維的直線。這是為什麼呢？原來，水管的那兩維很不一樣，沿著管子伸展方向的一維很長，容易看到；而容易繞著管子的那一個圓圈維很短，「捲縮起來了」，不容易發現。你必須走近水管，才能看清繞著圓圈的那一維。
這個例子表明了空間維度的一個微妙而又重要的特徵：空間維有兩種。它可能很大延伸得很遠，能直接顯露出來；它也可能很小，捲縮了，很難看出來。水管比較粗大，繞著管子的那一維很容易就看到。假如管子很細——像一根頭髮絲或毛細管那樣細，要看那捲縮的維可就不那麼容易了。
在最微小的尺度上，科學家業已證明，我們宇宙的空間結構既有延展的維，也有捲縮的維。就是說，我們的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的維 ——我們尋常經歷的三維，也有像水管在橫向上的圓圈那樣的捲縮的維——這些多餘的維緊緊捲縮在一個微小的空間，即使用我們最精密的儀器也根本不能探測它們。
那些看不見的維可能會有多小呢？我們最先進的儀器能探測到百億億分之一米的結構，如果那些維度捲縮得比這個尺度還小，我們就看不見了。科學家的計算表明，捲縮的維可能小到普朗克長度（即10的負33次方釐米），是目前的實驗遠遠不可能達到的。
為什麼需要多維空間？
理解了宇宙的空間有更多維存在，再回過來看相對論與量子理論是如何產生矛盾的，我們就很容易理解了：這兩個理論在日常的三維空間裡是不可能統一的，它們的矛盾是必然的，只有在高維空間裡才能得到統一。
為了更好地理解這一點，我們可以舉一個三維世界和二維世界的例子。我們首先假設有一些生活在二維平面世界的生命，它們的世界裡只有長和寬，根本無法理解第三維——「高」這一維。因此，它們對三維世界的感知只限於三維物體在平面世界的投影，或者三維物體與平面世界的接觸面，試想一想，一個平面生命怎麼能夠通過投影來想像三維物體的豐富性和完整性呢？當三維物體與平面世界接觸時，三維物體在平面世界上的零碎片段，比如一張桌子的四根腳柱、人印在地面上的兩雙鞋印，更讓平面生命摸不著頭腦——這些拼不到一起的碎片究竟意味著什麼呢？它們不能想像，四片互不相連的印跡怎麼會構成一張完整的桌子呢？那斷斷續續的鞋印上怎麼會有一雙完整的鞋呢？而且，鞋的上面竟然還有一個更加完整的人！用二維的眼光來打量這些碎片，你永遠不可能將它們拼成一個整體。
於是有一天，一個足智多謀的平面生命偶然想出一個絕妙的主意。它宣布，平面世界之外還有一個「向上」的第三維，如果順著這些碎片「向上」看，其實碎片是一個完整的整體！這真是個驚人的見解，大多數平面生命都困惑不解。
相對論和量子理論的遭遇與這種情況非常相似，在我們的三維空間裡，它們就像兩塊互不相干的碎片，永遠也拼合不到一起。但把空間「向上」抬一抬，把宇宙變為十維空間，相對論和量子理論這兩塊看似互不相干的碎片就會令人震驚地結合得天衣無縫，成為一個更完整的理論大廈的兩根互相依存的支柱！雖然我們在三維空間中無法想像和描述一個多維的空間，但我們卻能通過複雜的數學方程推導出它的存在。
M理論
人們自然而然地問，為什麼有6個維度是蜷縮起來的？這6個維度有何不同之處？為什麼不是5個或者8個維度蜷縮？這種蜷縮的拓撲性質是怎樣的？有沒有辦法證明它？因為弦的尺度是如此之小(普朗克空間)，所以人們缺乏必要的技術手段用實驗去直接認識它，而且弦論的計算是如此繁難，不用說解方程，就連方程本身我們都無法確定，而只有採用近似法！更糟糕的是，當第一次革命過去後，人們雖然大浪淘沙，篩除掉了大量的可能的對稱，卻仍有5種超弦理論被保留了下來，每一種理論都採用10維時空，也都能自圓其說。這5種理論究竟哪一種才是正確的？人們一鼓作氣衝到這裡，卻發現自己被困住了。弦論的熱潮很快消退，許多人又回到自己的本職領域中去，第一次革命塵埃落定。
一直要到90年代中期，超弦才再次從沉睡中甦醒過來，完成一次絕地反攻。這次喚醒它的是愛德華威頓。在1995年南加州大學召開的超弦年會上，威頓讓所有的人都吃驚不小，他證明了，不同耦合常數的弦論在本質上其實是相同的！我們只能用微擾法處理弱耦合的理論，也就是說，耦合常數很小，在這樣的情況下5種弦論看起來相當不同。但是，假如我們逐漸放大耦合常數，它們應當是一個大理論的5個不同的變種！特別是，當耦合常數被放大時，出現了一個新的維度--第11維！這就像一張紙只有2維，但你把許多紙疊在一起，就出現了一個新的維度--高度！
換句話說，存在著一個更為基本的理論，現有的5種超弦理論都是它在不同情況的極限，它們是互相包容的！這就像那個著名的寓言--盲人摸象。有人摸到鼻子，有人摸到耳朵，有人摸到尾巴，雖然這些人的感覺非常不同，但他們摸到的卻是同一頭象--只不過每個人都摸到了一部分而已！格林(Brian Greene)在1999年的《優雅的宇宙》中舉了一個相當搞笑的例子，我們把它發揮一下：想像一個熱帶雨林中的土著喜歡水，卻從未見過冰，與此相反，一個愛斯基摩人喜歡冰，但因為他生活的地方太寒冷，從未見過液態的水的樣子(無疑現實中的愛斯基摩人見過水，但我們可以進一步想像他生活在土星的光環上，那就不錯了)，兩人某天在沙漠中見面，為各自的愛好吵得不可開交。但奇妙的事情發生了：在沙漠炎熱的白天，愛斯基摩人的冰融化成了水！而在寒冷的夜晚，水又重新凍結成了冰！兩人終於意識到，原來他們喜歡的其實是同一樣東西，只不過在不同的條件下形態不同罷了。
這樣一來，5種超弦就都被包容在一個統一的圖像中，物理學家們終於可以鬆一口氣。這個統一的理論被稱為"M理論"。沒人知道這個"M"確切代表什麼意思，或許發明者的本意是指"母親"(Mother)，說明它是5種超弦的母理論，但也有人認為是"神秘"(Mystery)，或者"矩陣"(Matrix)，或者"膜"(Membrane)。
在M理論中，時空變成了11維，由此可以衍生出所有5種10維的超弦論來。事實上，由於多了一維，我們另有一個超引力的變種，因此一共是6個衍生品！這時候我們再考察時空的基本結構，會發現它並非只能是1維的弦，而同樣可能是0維的點，2維的膜，或者3維的泡泡，或者4維的…我想不出4維的名頭。實際上，這個基本結構可能是任意維數的：從0維一直到9維都有可能！M理論的古怪，比起超弦還要有過之而無不及。
不管超弦還是M理論，它們都剛剛起步，還有更長的路要走。雖然異常複雜，但是超弦/M理論仍然取得了一定的成功，甚至它得以解釋黑洞熵的問題--1996年，施特羅明格(Strominger)和瓦法(Vafa)的論文為此開闢了道路。在那之前不久的一次講演中，霍金還挖苦說："弦理論迄今為止的表現相當悲慘：它甚至不能描述太陽結構，更不用說黑洞了。"不過他最終還是改變了看法而加入弦論的潮流中來。M理論是"第二次超弦革命"的一部分，如今這次革命的硝煙也已經散盡，超弦又進入一個蟄伏期。PBS後來在格林的書的基礎上做了有關超弦的電視節目，在公眾中引起了相當的熱潮。或許不久就會有第三次第四次超弦革命，從而最終完成物理學的統一，我們誰也無法預見。
值得注意的是，自弦論以來，我們開始注意到，似乎量子論的結構才是更為基本的。以往人們喜歡先用經典手段確定理論的大框架，然後在細節上做量子論的修正，這可以稱為"自大而小"的方法。但在弦論裡，必須首先引進量子論，然後才導出大尺度上的時空結構！人們開始認識到，也許"自小而大"才是根本的解釋宇宙的方法。如今大多數弦論家都認為，量子論在其中扮演了關鍵的角色，量子結構不用被改正。而廣義相對論的路子卻很可能是錯誤的，雖然它的幾何結構極為美妙，但只能委屈它退到推論的地位--而不是基本的基礎假設！許多人相信，只有更進一步地依賴量子的力量，超弦才會有一個比較光明的未來。
奇特的全息照片
一般照相機照出的照片都是平面的，沒有立體感。用物理術語來說，得到的僅是二維圖像，很多信息都失去了。當雷射出現後，人類才得到了全息照片。
所謂全息照片就是一種記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息的先進照相技術。
全息照片不用一般的照相機，而要用一臺雷射器。雷射束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息幹板上，稱為參考光束。
當光束被物體反射後，其反射光束也照射在膠片上，就完成了全息照相的攝製過程。
全息照片和普通照片截然不同。用肉眼去看，全息照片上只有些亂七糟的條紋。可是若用一束雷射去照射該照片，眼前就會出現逼真的立體景物。
更奇妙的是，從不同的角度去觀察，就可以看到原來物體的不同側面。而且，如果不小心把全息照片弄碎了，那也沒有關係。隨意拿起其中的一小塊碎片，用同樣的方法觀察，原來的被攝物體仍然能完整無缺地顯示出來。
《客觀現實是否存在，或者宇宙是一個幻像？》
原文：Michael Talbot 翻譯：魯宓
1982年，一件驚人的事發生了。在巴黎大學由物理學家Alain Aspect所領導的一組研究人員，他們進行了一項也許會成為二十世紀最重要的實驗。Aspect和他的小組發現，在特定的情況下，次原子的粒子們，例如電子，同時向相反方向發射後，在運動時能夠彼此互通信息。不管彼此之間的距離多麼遙遠，不管它們是相隔十尺或十萬萬裡遠，它們似乎總是知道相對一方的運動方式，在一方被影響而改變方向時，雙方會同時改變方向。這個現象的問題是，它違反了愛因斯坦狹義相對論沒有任何通訊能夠超過光速。由於超過了光速就等於是能夠打破時間的界線，這個駭人的可能性使一些物理學家試圖用複雜的方式解釋Aspect的發現。但是它也激發了一些更有革命性的解釋。例如，倫敦大學的物理學家David Bohm相信Aspect的發現是意味著客觀現實並不存在，儘管宇宙看起來具體而堅實，其實宇宙只是一個幻象，一個巨大而細節豐富的全息攝影相片。
要了解為什麼Bohm會做出如此驚人的假設，我們必須首先了解什麼是全息攝影相片。全息攝影相片是靠雷射（雷射）做出的一種三度空間立體攝影相片。要製作一張全息攝影相片，物體首先必須用一道雷射光束照射，然後第二道雷射光束與第一道光束的反射產生繞射的圖案（兩道光束交集的地區），被記錄於底片上。底片洗出後，看起來像是無意義的光圈與條紋組合。但是當底片被另一道雷射光束照射時，一個三度空間的立體影像就會出現在底片中（這不同於一般印刷式的所謂全息相片，只有狹窄的角度可見立體影像。真正的全息攝影相片是沒有角度限制，而且必須用雷射光才可見影像）。
影像的立體不是全息攝影唯一特殊之處。如果一朵玫瑰的全息相片被割成兩半，然後用雷射照射，會發現每一半都有整個玫瑰的影像。事實上，即使把這一半再分為兩半，然後再分下去，每一小塊底片中都會包含著一個較小的，但是完整的原來影像。不像平常的相片，全息相片的每一小部份都包含著整體的資料。
全息相片的這種「整體包含於部份中」的性質給予我們一個全新的方式來了解組織與秩序。歷史上的科學多半是基於一種偏見，認為要了解任何事物現象，最好的方式是分解事物，研究事物的部份。全息攝影教導我們，宇宙中可能有事物不會配合這項假設。如果我們試著把某種全息攝影式結構組成的事物分解開來，我們不會得到部份，而會得到較小的整體。
這項理論使Bohm建立了另一種用來了解Aspect發現的解釋。Bohm相信次原子的粒子能夠彼此保持聯繫，而不管它們之間的距離多遠，不是因為它們之間來回發射著某種神秘的信號，而是因為它們的分離是一種幻象。他說在現實的某種較深的層次中，如此的粒子不是分離的個體，而是某種更基本相同來源的實際延伸。
說明：著名科學家特斯拉就有超人的能力，可和高級空維的「智慧者」溝通。（請看：http://www.56.com/u93/v_NTQ2NDc5OTQ.html）本文介紹的「超弦」理論，是說明科學已經得出「靈魂」存在的事實。（請參看《人類的靈魂是超弦》）
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