為什麼愛因斯坦都解釋不了的萬物，《宇宙的琴弦》有可能解釋？

愛因斯坦是人類歷史上最傑出的天才之一，在他生命的最後30年，他一直希望能找到一個包羅萬象的理論，用來描繪包括引力在內的各種自然力。不過很遺憾，愛因斯坦沒能成功。其實所有的科學家，幾乎都有這樣的一個夢想，希望能找到一個基本的原理，一個簡單而深刻的理論，來描繪宇宙間的各種現象。經過一代又一代科學家的努力，人類終於窺見了一點希望。這個有可能描述一切現象的理論，就是《宇宙的琴弦》這本書的主題：弦理論。

這是一本基本沒有方程，用日常能夠想像的例子類比、隱喻來介紹弦理論來龍去脈的經典科普。

作者布賴恩·格林，世界頂尖的物理學家，牛津大學物理學博士，哥倫比亞大學數學和物理學博士。他始終處於弦理論研究的第一線，對弦理論中空間形狀和形態的研究做出過重要貢獻。

一、弦理論的誕生背景

首先，我們來看一下現代物理學的兩大支柱：一個是著名的愛因斯坦的相對論，另一個是是比較難理解的量子力學。

「相對論雖然艱深，但你只要認真讀過愛因斯坦的文章，那就能看懂；但如果是量子力學的話，不好意思，沒人能看懂量子力學。」 ——量子力學的泰鬥費曼

相對論和量子力學，是現代物理學的基礎理論，是整個物理學大廈的地基。大到宇宙的膨脹，小到組成物質的微觀例子，它們都能解釋。這兩套理論都能經受住無數次嚴格的檢驗，無論實驗的精度多高，相對論和量子力學都能得到證實。

但是，作為人類歷史上最成功的兩大科學成就，在根本上是存在衝突的。這兩套理論幾乎水火不容，不可能同時正確。而弦理論就誕生，化解了兩大理論的衝突。

1、愛因斯坦的相對論：物質告訴空間如何彎曲，空間告訴物質如何運動

在我們傳統的認知中，空間是看不見摸不著的，但是在廣義相對論看來，空間就像是一張非常巨大的、平滑的膜，就像家裡的保鮮膜，而且這個膜是有彈性的。那我們將一顆球放在這個巨大的膜上，膜就會凹下去。

在這裡，膜就相當於空間，球就相當於太陽、地球這些星球。這就是「物質會讓空間彎曲」。而且物質越重，膜彎曲的就越厲害，如果物質的質量很小，這個彎曲的幅度就相對變小。這就是「物質告訴空間如何彎曲」。

當空間的這個膜彎曲以後，就會影響物質的運動。你可以想像一下，假如一張膜凹下去，那上面滾動的小球，運動軌跡就會受到影響。在牛頓的物理學中，地球圍著太陽轉，是因為「引力」的作用，但是牛頓無法解釋引力是怎麼來的。

而廣義相對論就提出，引力的本質，就是這種空間的形變，它影響了物質的運動。所以地球繞著太陽轉，是因為太陽彎曲了周圍的空間，影響了地球的運動，這就叫「空間告訴物質如何運動」。

2、很難看懂的量子力學：我叫測不準

量子力學有個經典的理論，就是不確定原理，這個原理的核心很簡單，就是一個例子的位置和速度，不可能被同時確定。如果它的位置越確定，那麼它的速度就越不確定；如果速度越確定，位置就越不確定。

舉一個例子。假如有一個很大的盒子，這個盒子裡面有一個電子，我們想把這個電子抓起來，接著就把這個盒子慢慢擠壓，空間越擠越小，這個時候，電子位置上的確定性就變高了，但是與此同時，你會發現，這個電子越來越瘋狂，在盒子裡面到處亂撞，速度越來越大，也就是說，它的速度變得越來越不確定。

不光是電子，所有的微觀粒子，如果我們把它限定在一個極小的空間區域內，這些粒子就會變得越來越瘋狂，速度越來越難以確定，而且不光是位置和速度存在這樣的關係，能量和時間之間也存在著這種關係，所以如果考察的時間足夠短的話，粒子的能量就會在短時間內瘋狂地漲落起伏。

根據這個不確定性原理，即使是看起來什麼都沒有的一片空間，如果我們把視野縮小，就會發現那裡也有大量的活動。所以在量子力學裡，宇宙在微觀尺度上是一個混沌的、瘋狂的世界。引力場在微觀尺度上也會因為量子漲落而波蕩起伏，而且我們關注的空間越小，這種起伏就越大。

講到這裡，相對論和量子力學的矛盾，就逐漸顯露了。在廣義相對論裡，宇宙空間像一張巨大的膜，雖然物質可以使它彎曲，但是空間還是很平滑的。

但是在量子力學裡，宇宙空間在微觀尺度上是劇烈漲落的，根本不是平滑的。所以在超微尺度上，相對論和量子力學衝突了，這個衝突，就是弦理論誕生的背景，是弦理論需要解決的問題。

二、弦理論的特別之處

古希臘人認為，所有的物質都是由粒子構成的，他們把這種粒子叫做原子，很小又不可分割。今天我們知道了，原子下面還有質子、中子、電子、夸克、中微子等等粒子。總之，在弦理論出現以前，人們普遍認為，物質是由這些像一個個點一樣的粒子所構成的。不僅如此，宇宙中的各種力，包括電磁力、強力、弱力，也跟各種粒子有關，我們把這套用例子來描述各種事物的理論，叫做「標準模型理論」。

1、「弦」究竟什麼樣？

弦理論徹底改變了這副圖景，弦理論認為，我們的宇宙不是由點狀的粒子組成的，而是由一根根震動的環狀的弦構成的。每個粒子都好像是一根無限細的、一堆的橡皮筋，在不停的振動，粒子之間的區別是因為各自的弦在經歷著不同的共振模式。

當然，這些弦非常非常小，平均長度大概就是普朗克長度（大約是原子核的一萬億億分之一，小數點後面19個零），以我們目前的觀測技術來看，它就是個點。

不同的基本粒子實際上是在同一根基本弦上彈出的不同「音調」，由無數這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一個偉大的交響曲。這就是弦理論最為核心的地方，也是最特別的地方。

弦理論的雛形是在1968年由Gabriele Veneziano弦理論發現。他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學公式，然後在一本老舊的數學書裡找到了有200年之久的歐拉公式（Euler's Function），這公式能夠成功的描述他所要求解的強作用力。

然而進一步將這公式理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的「線段」卻是在不久後由Leonard Susskind(李奧納特·蘇士侃)所發現，這在日後則發展出「弦理論」。

按照弦理論：一個基本「粒子」的性質，它的質量和不同的力荷，是由它內部的弦產生的精確的共振模式決定的。弦的振動模式則是識別每個粒子的「指紋」。

琴弦能產生的共振模式。共振波的峰谷數目正好能滿足弦的兩個端點間的距離

2、弦與粒子質量的關聯

弦的某個振動模式的能量取決于振幅和波長，振幅大和波長小的，能量較大。這與我們的直覺是一樣的，振動越瘋狂，那個模式的能量就越大。從狹義相對論我們知道，能量和質量是一枚硬幣的兩面，大質量意味著大能量，那麼依照弦理論，基本粒子的質量決定於內在弦的振動模式的能量，質量較大的粒子所具有的弦振動較劇烈，質量小的粒子所具有的弦振動較輕柔。

瘋狂的振動模式比輕柔的振動模式有更大的能量

雖然弦理論遠離了以前沒有結構的基本粒子的概念，但舊的語言很難消失，特別在最微小的距離尺度上，過去的「標準模型理論」還是提供著準確的描述。但是標準模型理論有一個遺憾：雖然它能準確描述四種基本力中的三種，也就是電磁力、強力和弱力，但是卻解釋不了引力是怎麼回事。

但是弦理論不同，如果我們把粒子換成弦的話，就可以發現，在某個特別的振動模式之下，剛好可以產生一種質量為0的粒子，就是科學家所期待的「引力子」。

弦理論比標準模型理論具有更高的統一性，更接近一個終極理論。它能解釋粒子的性質，也能解釋引力。雖然目前還不能確定弦理論就是對的，但它所提供的大一統的框架，的確很吸引人。

3、弦理論是如何緩解相對論和量子力學矛盾的？

剛才談到，在廣義相對論中，空間和時間是平滑的、彎曲的，但是在量子力學中，空間在微觀上是劇烈漲落的。我們來看看弦理論到底是怎麼解決這個矛盾的。

我們來看一個形象的例子，假如你面前放著一塊精心加工過的花崗石，你用手去摸它，會感到特別光滑順手，沒有一點瑕疵，但如果你用放大鏡或者顯微鏡去觀察它的表面，你就發現，花崗石的表面是凹凸不平的，有許多顆粒和坑洞，只是這些顆粒太小，用手根本感覺不到。

在這個例子中，花崗石表面的小顆粒，手感覺不到，因為它已經超出了手的感知範圍，對於手來說它是沒有意義的。同樣的道理，如果我們把手換成弦的話，那就意味著，如果一個東西比弦還小，對弦都產生不了影響，那它對於弦來說，也是沒有意義的。

在弦理論中，組成物質的最小單位，就是弦。弦的平均長度，就是普朗克長度。如果一塊空間比普朗克長度還小，那不管裡面發生些什麼，都不會影響到弦。而量子力學的衝突，就是在普朗克尺度以下發生的，所以我們根本不用管在普朗克尺度以下才會出現的量子力學和相對論的衝突，問題就這麼解決了。

也許你在想，這根本就是在耍花招，這不是解決問題，而是逃避問題，還真的不是。因為我們想像的普朗克長度以下的衝突，本來就是在標準模型的理論基礎上才產生的，而在標準模型理論中，構成各種物質的是粒子，但是如果我們換了一套理論，粒子換成弦，這些問題就不存在。

因為，在標準模型中，空間是可以不限分割的，要多小有多小，沒有極限，但是在弦理論中，空間只能小到弦的長度，不能再小了。這就相當於改變了整個遊戲規則，廣義相對論和量子力學在新的規則之下可以和諧共處。

在弦理論看來，宇宙的基本組成結構不是點狀的粒子，而是不停振動的弦。通過弦理論，我們可以解釋粒子是如何產生的，能夠把四大基本力囊括到一個框架裡，還可以緩解量子力學和廣義相對論之間的衝突。所以目前看來，弦理論可以提供一個大一統的框架，有可能成為解釋萬物的終極理論，這是它最特別的地方。

三、弦理論能夠推翻哪些認知？

毫無疑問，弦理論動搖了現代物理學的基礎，讓我們對空間的理解發生了變化。弦理論所描繪的宇宙，跟傳統觀念中的宇宙也不一樣。

1、 宇宙不止四個維度

在傳統看來，我們的宇宙是3個空間維度加上一個時間維度。宇宙間在任何時間地點發生的事，都可以用這四個維度來確定，但是隨著弦理論的發展，科學家逐漸發現，宇宙好像不止4維，而是有11維，應該是10個空間維度，加上一個時間維度，只是有些維度蜷曲起來了，我們感受不到。而我們體驗的宇宙只是11維空間中的一個四維面。影片《星際穿越》當中也體現了這種理解。

1919年，一個無名的波蘭數學家，來自柯尼斯堡大學的卡魯扎（Theodor Kaluza）卻敢向顯然的事實挑戰——他提出，宇宙也許不只有3個空間維，而是有更多。1926年，瑞典數學家克萊茵（Oskar Klein）把它說得更具體和明確，那就是：我們宇宙的空間結構既有延展的維，也有捲縮的維。

舉個例子看一下，那些我們感受不到其他維度的存在。假如在花園裡有一根長長的水管，這根水管無限薄，又很細，上面有一隻螞蟻在爬。如果我們離得遠一點，這水管我們看起來就好像是一根線，是一維的。如果我們要描述螞蟻的位置，那只需要一個維度就行了，就是看它離水管的起點有多遠。

如果我們湊近了看，就會發現，其實這個水管還是有粗細的，螞蟻不光可以順著水管的方向爬，它也可以在水管上轉圈。轉圈的那個方向，也是一個維度。所以，如果要精準描述螞蟻的位置，我們需要知道兩個維度，一個長長的那個一維，還有一個是繞圈的那一維度。

（a）從遠處看，花園的水管就像是一維的 （b）走近來看，水管的第二維就顯現出來了，就是環繞管道維度

在弦理論看來，我們的宇宙也跟這跟水管差不多，我們感受到的那3個空間維度，是展開的，就相當於水管上長長的那個維度，剩下的維度，就是水管上繞成圈的那一維，它蜷曲起來了，而且蜷曲的特別小，可能只有普朗克長度那麼點大，所以我們注意不到，但這並不代表這些維度不存在。

當然，11維的理論來源，也是通過數學計算推導出來的，科學家目前還沒有辦法通過觀察來進行驗證。

2、 弦理論讓黑洞變得匪夷所思

再來看看黑洞。如果我們用弦理論來看黑洞的話，會發現更多匪夷所思的情況。

在一般人的想像中，黑洞和基本粒子，是完全沒有聯繫的兩種物體，黑洞是質量極大的巨無霸天體，粒子是質量極小的小不點，但有物理學家提出，黑洞和基本粒子有很相似的特徵，就像粒子一樣，如果任何兩個黑洞有相同的質量、力荷和自轉，那它們就是完全相同的，這跟基本粒子是一樣的。

所以有科學家提出了一個猜想：說黑洞本來就是一個巨大的基本粒子。但如果要研究這個問題，就會碰上質量極大、尺度極小的問題，要面臨量子力學和廣義相對論的衝突，所以一直沒有進展。

而隨著弦理論的發展，科學家們真的在黑洞和基本粒子間建立起了一個無懈可擊的聯繫，發現黑洞和基本粒子就好像是冰和水一樣，是同一種物質的不同存在方式。

當然了，黑洞還有很多未解之謎，從弦理論的視角來看，這些謎題也可能存在著非常神奇的解釋。比如包括霍金在內的科學家曾經都認定，所有的物質和信息，一旦掉進了黑洞，就永遠地消失了。但後來霍金承認，根據弦理論對黑洞的最新認識，這些信息有可能儲藏在黑洞的某種特殊的高維膜裡，還可以從那裡被還原。

在弦理論看來，我們宇宙的空間不是3維的，而是10維的，只是其中的3個維度展開了，而另外的維度是蜷曲的，但這些維度都會影響弦的運動。此外，弦理論還在黑洞和基本粒子之間建立了聯繫，也推動了科學家們對於黑洞和宇宙大爆炸的其他研究。總之，弦理論會讓人類對宇宙的認識產生重大變化。

最後的話

當人們考慮同宇宙有關的一些問題時，音樂總是我們選擇的方向。從畢達哥拉斯古老的「天球的音樂」到「自然的和諧」，千百年來一直引導著我們去追尋天體平和運行的天然樂音和亞原子粒子混沌的喧囂。

自超弦理論發現以來，音樂的幻想成了驚人的現實，因為這個理論認為，微觀世界裡到處是小小的琴弦，它們不同的振動便合奏出宇宙演化的交響曲。根據超弦理論，變化的勁風吹遍了一個充滿琴弦的宇宙。

21世紀最偉大的理論之一，弦理論化解了量子力學和相對論之間的衝突，是最有可能成為描述萬物的「萬有理論」。

人類對於理論的追求，很多時候是源自於這樣一種世界觀：就是宇宙間的所有現象，在根本上，都可以用一個和諧的、統一的、完美的理論來進行解釋，這個想法可能永遠無法得到證明，但它是深存於人類心底的一種美學追求，一個堅定的信念。