弦和超弦與宇宙的起源，一切看起來都那麼的神奇

1919年，一位幾乎不知名的德國數學家西奧多·卡魯扎提出了一個大膽的、在某種程度上說非常離奇的想法——我們的宇宙實際上可能不止三維，而是具有更多維度，也就是說，除了左、右、前、後、上、下之外，還有其他空間維度，只是我們目前還看不到而已。面對一個大膽而且離奇的猜想，人們的焦點往往在它的大膽和離奇上，但這部分與我們周圍的世界是毫無關係的。然而，這個想法，雖然還不能斷定它是對還是不對（也許還得很多年之後才能斷定），但是在20世紀，它已經對物理學產生了重大的衝擊，而且現在仍在推動許多尖端研究。

我們來探討一下這些其他維度。首先來了解一些背景知識。早在1907年，愛因斯坦正因發現狹義相對論而春風得意，決定做一個新課題，試圖充分理解廣泛存在的重力。在當時，他周圍的很多人都以為這個問題早已得到了解決。17世紀後期，牛頓提出了重力理論，這個理論在當時通行無阻，不但正確地描述了行星和月球的運動，而且對我們身邊的所有運動都能很好地描述。

但是愛因斯坦意識到還有些牛頓沒有解決的問題，因為牛頓自己曾經承認，雖然他知道如何計算重力的效果，但是他搞不清楚重力究竟是如何起作用的。比如說，太陽距離地球1.5億千米，在這麼大的尺度上，它是怎樣影響地球運動的？太陽如何穿越廣袤的空間施展它的影響？愛因斯坦把這個問題作為自己探討的對象，他要研究重力如何發生作用。

他發現了什麼？他發現傳遞重力的媒介就是空間本身，這個想法的本質是將空間想像為萬物的基質。愛因斯坦說，在沒有物質存在的情況下，空間是平坦的；可是一旦有了物質存在，比如說太陽，空間的結構就會扭曲，形成彎道，這便導致了重力的產生。就連地球也在扭曲它周圍的空間，讓月亮在其軌道上不停地運行。按照這個想法，太陽、地球和月亮由於自身的存在，便在各自所處的空間造成了扭曲，在「碾」出來的「山谷」中運行。太陽的存在產生了一個彎道，使得地球沿著這個彎道運轉。這就是重力作用的新觀念。

1919年的天文觀測肯定了這個觀點。愛因斯坦因而舉世聞名，卡魯扎也因此動起了腦筋。他和愛因斯坦一樣，也在尋找所謂的統一理論，這個理論可以用來描述自然的所有力，是一整套思想，一整套原理，或者一個萬能的公式。卡魯扎覺得，愛因斯坦能夠用空間上的翹曲來描述重力（實際上精確地說就是時空），或許他可以用相同的遊戲規則描述其他已知的力，即當時人們所知的電磁力。

但是這裡產生了一個問題：愛因斯坦已經用時空和翹曲描述了重力，似乎沒有別的什麼還能實施翹曲。因此卡魯扎說，空間也許還有更多的維度，每描述另外一個力，都需要增加另一個維度，電磁力就是第四維度的翹曲。問題的關鍵就在這裡：他寫出方程組來描述四維空間的翹曲，結果發現就是科學家一直以來描述電磁力的那個公式，而不是別的什麼。這個發現讓他激動得不得了，他圍著房子邊跑邊叫：「我勝利嘍！我勝利嘍！」他認為自己已經發現了統一理論。

顯然，卡魯扎這個人很看重理論。有一個關於他的故事：當年他想學遊泳，就買了一本教遊泳的書，看完之後他就跳進大海。這個人願意為了理論拿生命冒險。像我們這樣比較注重實踐的人，可以從他的方程中立刻發現兩個問題：①如果空間有更多的維度，那麼這些維度在哪裡？我們為什麼看不到？②如果用這個理論解釋我們周圍的世界，把它應用於實踐，不會有什麼問題出現嗎？

第一個問題是由瑞典物理學家奧斯卡·克萊因於1926年解答的。他把維度分為兩類：一類是大的維度，容易看見；另一類維度可能非常非常小，蜷縮在某個地方，即使存在於我們周圍，我們也看不到。但是，我們可以充分發揮自己的想像力。設想你正在看一根電纜：從遠處看，電纜只有一維，但是根據常識，我們知道電纜是有一定粗細的；從遠處看很難知道它的粗細，但是如果我們把焦距拉近，或者設想上面有隻螞蟻，一會兒直線爬行，一會兒繞行，或者順時針，或者逆時針。

這說明維度可以有兩類：大的維度和小的維度。我們身邊的大維度是很容易看到的，但是也可能有其他維度蜷縮在什麼方位，就像電纜上盤繞著的鋼絲那樣，如果不就近去觀察，就不會有人能夠看見。可是對螞蟻來說就不同了，電纜相對它是很大的空間，電纜上盤繞的鋼絲也同樣非常顯著，也許它還能看見更微小的維度。所以對我們來說，如果把空間無限放大，應當會有更多的維度。

再來看第二個問題。用這個理論解釋真實世界，能行得通嗎？其實，愛因斯坦、卡魯扎以及其他許多科學家當時都在試圖優化這個框架，用它來解釋宇宙的物理，雖然研究都很深入，但是不管用。比如說，用這個理論就無法獲得正確的電子質量。因此，儘管當時許多人都致力於此項研究，但截至20世紀四五十年代，這個奇怪的、但也引人入勝的統一物理定律已經煙消雲散。現在，所有物理學家都在追尋一種新的方法試圖對物理定律進行統一，這種理論被稱為超弦理論。超弦理論的奇妙之處在於，乍一看與更多維度沒有什麼關係，但是進一步研究超弦理論就會發現，這種思想以一種閃耀的新形式復活了。

超弦理論試圖解答這個問題：在我們周圍的這個世界，構成萬事萬物最基礎的、最根本的、不可再切分的最小成分是什麼？設想我們觀察一個熟悉的物體，比如說一根蠟燭，然後我們試圖弄明白它的構成。深入其內部，我們可以看到它的原子，但這還不是最小的，因為我們知道原子中央有個原子核，它周圍有電子圍繞它旋轉，原子核裡還有中子和質子，中子和質子裡還有更小的微粒，叫作夸克。常規的概念就到這裡為止。

在這些粒子的深處，還有其他成分——一種舞動著的絲狀能量，看上去就像振動著的弦，弦理論也因此而得名。這些「弦」就像大提琴上的弦，只要撥動就會以不同的模式振動，但它們的振動產生的不是不同的音樂符號，而是構成我們世界的粒子。因此，如果這個理論正確的話，宇宙的極微觀景象就應該是這個樣子：由巨大量這樣的振動能量絲組成，以不同的頻率振動，這些不同的頻率產生不同的粒子，不同的粒子造就了我們周圍這個世界豐富的多樣性。

在這裡，我們看到了統一性，因為物質粒子、電子、夸克、射線粒子、光子、引力子，都是由一種實體構成的，所以物質和自然力都是由這些振動著的「弦」組成的，這就是我們所說的統一理論。還有一個絕妙之處：研究弦理論的數學就會發現，它在只有三維空間的宇宙裡不能成立，四維、五維或六維也不能成立。那麼，怎樣才能成立呢？最終，科學家認為，只有在十個空間維度和一個時間維度中才能行得通，這就又回到了卡魯扎和克萊因的觀點：要想恰當地描述我們的世界，它的維度就應該比我們看見的多。

這樣一來就又產生了一個問題：是我們正企圖把這些其他維度隱藏起來，還是我們這個世界擁有一些其他奧秘？下面讓我們看看這些其他維度的兩個特點。首先，我們中間有很多人相信這些其他維度可以用來解答理論物理中最深層的問題。在過去幾百年中，科學家得出了20來個數字，可以用來真正地描述我們這個宇宙，包括電子和夸克等的質量、引力的強度、電磁力的強度等，精確得令人難以置信。可是，沒有人能夠解釋這些數字，沒有人知道它們如何擁有那些具體的值。

弦理論能給出答案嗎？現在還不能，但是我們相信這個問題的答案可能要依賴於這些其他維度。非常奇妙的一點是，如果這些數字不是現在的值而是其他什麼，那麼我們所知的宇宙就不會存在。這個問題很深奧。這些數字為什麼會如此適合恆星發光和行星形成？如果撥弄這些數字，整個宇宙就會灰飛煙滅。弦理論認為，這20來個數字與其他維度有關聯，這些維度的幾何結構極其豐富，錯綜複雜。

以卡拉比丘的形狀為例，我們可以看到其他維度蜷縮在一起，相互纏繞，形狀和結構都非常有趣。如果其他維度就是這個樣子，那麼我們所處的宇宙的微觀境況就是這種極微小的微縮形狀，你的手一擺，周圍的這些維度就會不住地移動。那麼，這20來個數字隱含著什麼物理意義呢？

觀察一件樂器，比如說法國圓號，注意氣流受樂器形狀影響而產生的振動。弦理論中所有這些數字反映的是「弦」的振動方式，就像氣流受樂器稜角、弧坡的影響一樣，「弦」本身也受到它所處的結構中振動模式的影響。所以，如果我們能準確知道其他維度是個什麼樣子，就可以計算出所有可能的音符或振動模式。更進一步說，如果能夠計算可能的振動模式，就可以計算出這20來個數字；如果我們計算得出的答案與那些通過實驗驗證了的數字相符，在很多方面，這將成為對宇宙結構現狀的首次基本解釋。

其次，如何更直接地證明這些其他維度的存在？這只是一個有可能解釋世界上從未得到解釋的特徵的有趣數學結構，還是能夠在現實中驗證其他維度存在的完整理論？我們認為，歐洲核子研究所的大型強子對撞機，會為我們驗證這些其他維度的存在。這臺對撞機會使粒子以接近光速在隧道內正反雙向運動，這些粒子時不時會正面碰撞。這樣做是希望撞擊的能量足以使一些殘骸從我們所知的維度中迸出，迫使它進入其他維度。怎樣才能知道結果呢？我們將測量撞擊後的能量，將其與撞擊前的能量做比較，如果撞擊後能量減少了，就證明能量發生了逃逸；如果我們可以計算出逃逸的模式，就能夠證明其他維度的存在。

想像一下，現在有一種叫作引力子的粒子，我們期望它能夠迸出來，條件是真的存在其他維度。這將是一段了不起的歷史，一次了不起的機會。回顧牛頓時代的絕對空間，它僅僅為宇宙中的事物發生提供了一個舞臺。後來愛因斯坦說時空是可以翹曲的，這就是重力。然後又出現了弦理論，它告訴我們可以把重力、量子力學和電磁理論統一起來，但是需要擁有更多的維度。這將是我們有生之年極力驗證的一個問題，有一定的可能性，也非常神奇！