概论
前言
这本书写得像文献综述，这点本身没什么，但是翻译得很差劲，比如没有区分重力和引力，活该评分低！
我还有一些内容要强调：
首先，爱因斯坦要做的是大统一理论，不是大一统理论。此外，大一统中的「大」是意动用法，大一统指「认为一统很重要」，就是说一个民族内部要能做到「天无二日，民无二王」，出身于奥地利林茨的希特勒主持了德奥合并而不是吞并，这其中的区别是很明显的。
书中提到了十维宇宙，但没有提到十一维宇宙，还提到了麦克斯韦的时间观对爱因斯坦的影响。
书中还提到了费曼图等工具和S矩阵理论。这个倒是之前没有听说过的内容。
虫洞（爱因斯坦-罗森桥）也是一个令我颇为好奇的概念。希望有朝一日，我能穿越虫洞去往另一个世界！
我从热力学中获得的启示：「群体的行为是可以预测的，但是个体的行为是难以预测的」。本书也提到了类似的例子：
例如，想象一下，数百万学生参加每年的大学入学考试。很难预测每个个人在考试中的表现，但我们能以不可思议的准确性预测他们的平均成绩。事实上，平均成绩的钟形曲线每年变化极小。因此，我们可以在考试前预测数百万学生在考试中的平均分数，却不能预测任何一个学生的单一结果。
书籍简介
作者: [美] 加来道雄
出版社: 重庆出版社
原作名: Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe
译者: 伍义生
出版年: 2020-10-1
页数: 200
定价: 39.80
装帧: 平装
丛书: 科学可以这样看丛书
ISBN: 9787229133238
内容简介
弦理论的创始人之一，畅销科普书《平行宇宙》作家，加来道雄教授为我们权威解读“超弦理论”。作者分析了超弦理论的诞生、定义以及它的重要意义。这项革命性的突破极可能将爱因斯坦的毕生梦想“万物理论”变为现实。
《超弦论》核心论点：统一场论与量子力学的矛盾？牛顿的引力理论如何被超弦理论统一？
超弦理论解决了S矩阵理论和量子场论存在的对立。
超弦理论解决了GUT的烦恼，弦的存在解决了增殖夸克问题。
时间之初，温度极高，那时的宇宙超对称。
如果原始恒星足够大，大重力将导致中子相互挤压，最终挤压至一个无穷小的点——黑洞的权威解释。 超弦理论能计算广义相对论的量子修正，得出虫洞(爱因斯坦-罗森桥)解，实现维度旅行。
超弦理论预测宇宙灾难——如存在一个能量状态更低的宇宙，发生量子跃迁，所有已知物理定律将完全改变(物质总试图寻找能量更低的状态)。
超弦理论解释了大爆炸之前发生了什么——十维宇宙破裂为更低能级宇宙，四维宇宙(膨胀)和六维宇宙(卷曲)。
超弦理论结合量子力学解释了困扰爱因斯坦30年的难题——第五维度为何卷曲，而其他维度可延伸至无穷远(高维卷曲问题)。
超弦理论带领我们理解高维——高维生物可容易地可视化低维对象，低维生物只能看见高维对象的截面或阴影。
麦克斯韦将电和磁统一为电磁力，超弦理论实现了强力、弱力、电磁力、引力的全统一。
作者简介
加来道雄，美籍日裔物理学家。加来道雄毕业于美国哈佛大学，并获得了伯克利加利福尼亚大学的博士学位。目前为纽约城市大学理论物理学教授，曾任普林斯顿大学高等研究院和纽约大学客座教授。他是弦理论创始人之一，著有畅销科普书《平行宇宙》《超空间》《物理学的未来》《心灵的未来》等。他主持过BBC多档电视科普特别节目，长期主持美国国家科学广播节目。文章刊载于《华尔街日报》《时代周刊》《科学美国人》等，目前是哥伦比亚广播公司电视节目科学内容撰稿人。
詹妮弗·汤普森，美国物理学家，他与加来道雄曾合著过畅销科普书《核能》。
伍义生，原中国科学院力学研究所研究员。荷兰代尔夫特理工大学、德国宇航研究院材料所、澳大利亚悉尼大学客座教授。中国科学院翻译协会理事、中国翻译协会资深翻译。译著《平行宇宙》《超空间》《超弦论》《物理学的未来》《心灵的未来》《量子宇宙》《终极理论》《玻尔与爱因斯坦大论战》。
正文摘录
引言
加来道雄撰写本书的想法应追溯到20世纪50年代，那时，他还是一个在加利福尼亚成长的孩子，第一次听到统一场论。
加来道雄在小学4年级时，听到一位名为阿尔伯特·爱因斯坦的伟大科学家去世的消息。他知道，爱因斯坦一生中发现了很多伟大的东西使他获得了世界赞誉，但直至死前也仍未能完成他的伟大著作。加来道雄被这个故事迷住了。
这个孩子推理，如果爱因斯坦果真如此伟大，那么，他未完成的工作一定很棒——那一定是他杰出的职业生涯中的最高成就。
加来道雄出于好奇，梳理了帕洛阿尔托图书馆，试图发现更多与统一场论相关的信息，但他未找到任何书籍或者关于这个主题的文章。他找到了一些与量子力学相关的大学课本，但8岁的加来道雄几乎不能理解。此外，那些课本也并未提及统一场论。
于是，加来道雄找了他的老师，老师并未给他答案。后来，他遇到物理学家，当他问及爱因斯坦最后的这个理论时，对方也只是耸耸肩膀。多数物理学家认为，相信那个人能联合宇宙中的四种力还为时过早，或者是自以为是。
几年后，当加来道雄研究弦理论时（作为一种强相互作用理论提出），他也心存疑虑，认为对统一场论的探索也许只是一场疯狂的追逐。20世纪70年代，物理学家约翰·施瓦茨（John Schwarz）和乔尔·舍尔克（Joel Scherk）提出这种弦理论的一个复杂版本也许是传说中的爱因斯坦和其他物理学家未曾想到的统一场论的观点时，没有一位物理学家认真考虑。
最后，1984年，该理论似乎取得了戏剧性的突破，似乎解决了问题。就像施瓦茨和舍尔克早在几年前的预测，“超弦”似乎是统一场论最合适的（也是唯一的）候选理论。
尽管该理论的细节仍在研究中，但很明显这个发现将动摇物理世界。加来道雄和詹妮弗·汤普森已合著了《核能：两个方面》一书，双方的再次合作似乎很自然，并回答了30年前就让加来道雄着迷的问题——什么是统一场论？
我们共同努力撰写本书，作为对好奇外行的一个指南。我们想写一本涵盖“超弦革命”的书，其洞察力和范围通常只有内行人士才能提供，并以生动的和富有有益信息的方式呈现主题。我们认为，一个理论物理学家与一名作家的综合经验，将使这方面做得更好。
我们想提供物理学世界更全面的信息，在过去300年的科学背景下展示超弦理论。许多书论述了现代物理学的一个方面（无论是相对论、量子力学还是宇宙学），但却忽略了更大范围的物理学。《超弦论》则不同，我们关注的绝非孤立的研究领域，而是物理的整个范围，指出每个特定的理论在整个物理学的位置。统一场论与量子力学有什么关系？牛顿的引力理论如何用于超弦理论？你可以在《超弦论》一书找到这些问题的答案。
本书，我们强调了超弦理论如何给出一个物质的统一描述。我们重点关注亚原子粒子性质的多样性，如夸克、轻子、杨-米尔斯粒子、胶子……以及它们怎样被视为超弦的不同振动。加来道雄在另外一本作品《超空间》中还谈及空间和时间的性质，特别是平行宇宙、时间扭曲的可能性和第十维度。
我们为物理学的新突破而激动，我们希望《超弦论》既权威又有趣。简言之，希望它成为加来道雄年轻时就喜欢读的一本书。
加来道雄，纽约，纽约州
詹妮弗·汤普森，威廉斯敦，马萨诸塞州
第一部分 宇宙理论
1 超弦：万物理论
一个新的理论正动摇现代物理学的基础，它迅速地用美丽优雅且具有突破性的新数学颠覆我们珍视的和过时的宇宙观。尽管关于这个理论尚存在一些未解决的问题，但我们仍能感受到物理学家们的兴奋；世界各地的顶尖物理学家都宣称——我们正在见证一种新物理学的起源。
这个理论被称为“超弦”理论。过去10年，物理学的一系列的惊人突破促使它发展至高潮，它表明我们也许无限接近了统一场论：一个全面的联合宇宙中所有已知力的数学框架。
超弦理论的支持者甚至声称，“这个理论或许是终极‘宇宙理论’”。
尽管物理学家在对待新思想时通常很小心，但普林斯顿大学物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）却声称，超弦理论将在未来50年主导物理学世界。他最近说，“超弦理论是一个奇迹，一个贯穿始终的理论”。在一次物理会议上，他震惊了听众，他宣称我们或许正在见证一场像量子理论诞生那样伟大的物理学革命。他继续补充，“超弦理论可能引起我们对空间和时间的新理解，是自广义相对论以来物理学最戏剧性的理解。”
甚至，那些总是小心避免科学家断言被夸大的科学杂志也将超弦理论的诞生与圣杯的发现相比。科学杂志声称，“这场革命可能不亚于数学革命中实数到复数的过渡。”
该理论的两位创造者，加州理工学院的约翰·施瓦茨（John Schwarz）和伦敦玛丽女王学院的迈克尔·格林（Michael Green）有点武断地将其称为一种万物理论（TOE）。
这种兴奋的核心是，他们认识到超弦理论可以提供一个全面的理论以解释所有已知的物理现象——从星系的运动到原子核内的动力学。该理论甚至对宇宙的起源、时间的开始，多维宇宙的存在做出了惊人的预测。
对物理学家来说，这是个令人陶醉的概念——几千年来仔细研究且痛苦地积累起来的我们物质世界的海量信息终于能被总结在一个理论中。
例如，德国物理学家编纂了一本百科全书《物理手册》，这是一份详尽的工作，总结了世界物理知识。这个手册，实际占据了图书馆的整个书架，代表了科学学习的顶峰。如果超弦理论为真，原则上，这本百科全书包含的全部信息均可由一个单一方程衍生而出。
物理学家对超弦理论特别兴奋，因为它迫使我们改变对物质性质的理解。自希腊化时代以来，科学家们一直认为宇宙是微小的点粒子组成的。德谟克利特创造了原子这个词来描述这些终极的、不可摧毁的物质单位。
然而，超弦理论假设，自然界的最终的建筑块皆由微小的振动弦组成。如果它是正确的，意味着所有物质中的质子和中子，从我们的身体到最远的恒星，皆由弦组成。没人见过这些弦，因为它们太小以至于我们无法观察（它们大约是质子的千亿分之一）。事实上，我们的测量设备太粗糙，看不到这些细小的弦，我们的世界似乎只能由点状粒子构成。
起初，用弦代替点粒子这个概念能简单地解释粒子的多样性和自然界中由粒子交换所产生的力。后来人们发现，超弦理论既全面又优雅，它能简单解释宇宙中为何会有数十亿种不同类型的粒子和物质且具有惊人的不同特征。
超弦理论可以产生一个连贯的、包罗万象的大自然的图片，类似于用一根小提琴弦可“联合”所有的音乐音调和和声规则。历史上，音乐定律是经过数千年的不同乐音的反复研究制定而出。今天，这些多样性的规则能很容易地从一张图片中推导出来，即一根弦可与不同频率共振，每一个不同频率的共振都能产生音阶中独立的音调。振动弦可产生不同的音调，更重要的是，单一振动弦的概念能解释和谐定律。
因此，小提琴弦的物理知识给了我们一个音乐音调的综合理论，并允许我们预测新的和声和和弦。同样，在超弦理论中，人们在自然界中发现的基本力和各种粒子其实只是振动弦的不同模式。例如，重力交互作用是由环形弦的最低振动模式引起的，此弦的较高激发可产生不同形式的物质。从超弦理论的角度看，没有任何力或粒子比其他任何力或粒子更重要。全部粒子都只是振动弦的不同的振动响应。因此，超弦理论作为一个单一的框架，可以在原则上解释为何宇宙中有如此丰富的粒子和原子且具有多样性。
对古代的问题“物质是什么？”的答案变得简单——物质是由粒子组成，粒子是弦的不同的振动模式，如G调或F调。由弦产生的音乐就是物质本身。
世界物理学家对这一新理论如此兴奋的根本原因是，它似乎解决了本世纪最重要的科学问题——如何将自然的四种力结合为一个综合理论。这场巨变的中心是，认识统治我们宇宙的四种基本力实际上是由超弦控制的一个单一的统一力的不同表现形式。
四种力
丢失的连接
20世纪，诞生了两个凌驾于其他理论之上的伟大理论——量子力学（解释三种亚原子力上取得了巨大成功）；爱因斯坦的引力理论，也称广义相对论。从某种意义上看，这两种理论相互对立——量子力学致力于非常小的世界，原子、分子、质子和中子；相对论控制非常大尺度的物理，宇宙尺度上星星和星系的物理。
对物理学家来说，原则上，我们可以从这两种理论得出人类对物理宇宙的知识总和。但本世纪最大的难题之一是，这两种理论是如此的不相容。事实上，在本世纪，世界上最伟大的思想家将量子力学和广义相对论结合起来的所有尝试全部失败。阿尔伯特·爱因斯坦在他生命的最后30年一直寻求包含重力和光的统一理论，依然以失败告终。
这两个理论都在自己特定的领域里取得了惊人的成功。例如，量子力学在解释原子的秘密时没有对手。量子力学揭开了核物理的秘密，释放了氢弹的能量，解释了从晶体管到激光器每个器件的工作原理。事实上，这个理论非常强，如果我们有足够的时间，我们可以通过计算机预测化学元素的所有性质，而不必进入实验室。然而，尽管量子力学在解释原子世界时取得了巨大成功，但它在试图描述重力时却遭遇了巨大失败。
另一方面，广义相对论在它自己的领域：星系的宇宙尺度取得了巨大成功。黑洞，物理学家认为，这是一颗巨大的垂死恒星的终极状态，广义相对论对此作出了众所周知的预测。广义相对论还预测，宇宙最初是在大爆炸中开始的，它使星系以巨大的速度彼此分离。然而，广义相对论却完全不能解释原子和分子的行为。
因此，物理学家面临着两种截然不同的理论。每种理论都采用了一套不同的数学，且都在自己的领域内做出了惊人的精确预测。同时，它们又非常独立且截然不同。
这好比大自然创造了一个有两只手的人，右手看上去与左手完全不同，功能也不同且独立。对那些坚信自然最终必定简单优雅的物理学家来说，这是一个谜，他们无法接受大自然会以如此怪异的方式运作。
这正是超弦要解决的问题，它能解决这两个伟大理论的结合问题。事实上，量子力学和相对论，是使超弦理论成立的必需。超弦是第一个也是唯一能使量子引力理论有意义的数学框架。这就好像科学家在过去60年里一直试图组装宇宙拼图，突然注意到自己忽视了一个小片——超弦。
比科幻小说还奇怪
多维宇宙
暗物质
超级怀疑论者
历史上最大的科学机器
2 寻求统一
历史上，科学的发展是不连贯的。例如，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的伟大贡献是用他的引力理论计算行星的运动。与沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）和欧文·薛定谔（Erwin Schrodinger）的工作有很大不同，他们用量子力学揭示原子的工作原理。此外，量子力学所需的数学和原理似乎完全不同于描述空间扭曲、黑洞和大爆炸的爱因斯坦的广义相对论。
然而，随着统一场论的发展，是时候组装这些分离的零件并整体查看了，而不仅是追求部分的总和。虽然寻求统一是最近得出的，但大多数开创性工作都始于过去20年里的工作。事后看来，用连贯的统一的概念重新分析科学上的伟大发现将成为可能。
由于统一场论产生的动力科学史正在慢慢重写——包括艾萨克·牛顿实际上发明物理学和他发现万有引力定律，几千年人类历史发展中的最重要的科学发展将变得更易解释。
天和地的统一
麦克斯韦的发现
牛顿之后，我们对统一的理解的下一次重大飞跃是电和磁的统一，这发生在200年后的19世纪中期，美国内战时期。在那场毁灭性的战争中，美国陷入了混乱，大西洋两岸的科学世界也处于一个非常动荡的时期。欧洲正进行的实验表明了一个明白无误的事实，在某些情况下，磁性可以变成一种电场，反之亦然。
几个世纪以来，人们一直认为，磁力是控制海上领航员指南针的力，电力是产生闪电和走过地毯后触摸门把手时的触电的力，磁力和电力是完全不同的两种力。然而，到了19世纪中期，这种僵硬的分离分崩离析。科学家渐渐意识到，振动电场可以产生磁性，反之亦然。
这种效果很容易被证明。例如，简单地将条形磁铁推入线圈，线圈里会产生一个小的电流——变化的磁场产生了电场。同样，我们可以将这种局面反转，使电流流过该线圈从而在线圈周围产生磁场——变化的电场产生了磁场。
改变电场可以产生磁场和改变磁场可以产生电场的同一原理是使我们家庭有电的原因。在水力发电厂，水从大坝上落下至旋转连接到涡轮上的大轮。涡轮机里的大线圈在磁场中快速旋转，线圈在磁场中旋转运动时产生了电流。此后，这些电流通过几百英里长的电线进入了我们的家庭。因此，由大坝产生的变化的磁场被转换成电场，通过墙壁插座给家庭供电。
然而，在1860年，人们对这种效应还不能很好地理解。一个无人知晓的剑桥大学30岁的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）挑战了当时的主流思想，声称电和磁不是截然不同的力，而是同一枚硬币的不同的两面。事实上，他做出了那个世纪最惊人的发现，他发现这个观察能解开最神秘现象的秘密——光本身的秘密。
麦克斯韦知道，电场和磁场可以被可视化为渗透所有空间的“力场”。这些力场可以用从电荷发出的平滑的无限排列的“箭头”表示。例如，条形磁铁产生的力场像蜘蛛网一样伸入太空，并能诱捕附近的金属物体。
然而，麦克斯韦更进了一步。他认为，电场和磁场可以一起精确同步地振动，产生波，能在没有任何帮助的情况下独自旅行于太空。
人们可以想象以下场景：如果振动磁场产生一个电场，电场又振动产生另一个磁场，磁场振动再产生另一个电场，会发生什么？这样一个无限系列的振动电场和磁场本身运动，不是很像一个波浪吗？
如同牛顿引力定律，这个想法的实质简单且形象。例如，假设有一长串多米诺骨牌，打翻第一张多米诺骨牌会引发多米诺骨牌落下的浪潮。如果，这一行多米诺骨牌由两种类型组成，黑色和白色，带颜色的多米诺骨牌沿着这条线交替出现。此时，我们去掉黑色多米诺骨牌，只留下白色的，这个波将不能实现旅行。事实上，我们既需要白色多米诺骨牌，也需要黑色多米诺骨牌——白色和黑色多米诺骨牌相互作用，每一张都在翻转下一张，使多米诺骨牌落下的浪潮成为可能。
类似地，麦克斯韦发现，振动磁场和电场的相互作用产生了波浪。他发现，只靠电场或磁场的其中之一无法产生这种像波浪一样的运动，类似于仅有黑色或白色多米诺骨牌的情况。只有电场和磁场之间微妙的相互作用才能产生这个波。
然而，对大多数物理学家来说，这个想法似乎是荒谬的，因为没有“以太”帮助这些波传导。这些磁场是“脱离实体”的，没有传导介质，它们无法移动。
根据麦克斯韦的理论，光是由一致振荡的电场（E）和磁场（B）组成的。电场垂直振动，磁场水平振动。
然而，麦克斯韦并不气馁。他用自己的方程计算，他推导出了这个波的速度。令他吃惊的是，他发现这就是光速。不可避免的结论是，光被揭示出，只有一连串的电场变成了磁场。偶然地，麦克斯韦发现，他的方程解开了光作为电磁波的性质。因此，他是第一个发现了一个真正统一场论的人。
这是个了不起的发现，在重要性上可与牛顿对万有引力定律的发现并列。1889年，麦克斯韦死后10年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过实验证实了麦克斯韦的理论。在一次戏剧性的演示中，赫兹制造了一个电火花，并能产生一个在很远距离上可被探测的电磁波。正如麦克斯韦的预言，赫兹证明了这些自己传播的波，不需要“以太”。最终，赫兹的粗略实验发展为了我们今天称之为“无线电”的庞大产业。
由于麦克斯韦的开创性工作，从那时起，光被称为电磁力，是由电场和磁场迅速相互转换的振动产生。雷达、紫外线、红外线、无线电、微波、电视和X射线无非是电磁波采取的不同形式。（例如，当你收听自己喜欢的电台时，表盘上的指针指示99.5，表示无线电波包含的电场和磁场正以每秒9950万次的速度相互转化。）
不幸的是，麦克斯韦在提出这个理论后不久就去世了，他没能活到足够长的时间去深度探究自己创作的独特处。然而，敏锐的物理学家在19世纪60年代就注意到了麦克斯韦方程必然需要奇异的距离和时间的扭曲。他的方程式与牛顿的理论因描述空间和时间的方式不同而完全不同。对牛顿来说，时间脉冲在整个宇宙中均匀跳动，地球上的时钟和月亮上的时钟以同样的速度跳动。麦克斯韦方程预测，在某些情况下，时钟可能会变慢。
科学家们没有意识到，麦克斯韦的理论预测了放置在移动火箭船上的时钟应该比放置在地球上的时钟慢。起初，这听起来非常荒谬。毕竟，时间流逝的一致性是牛顿系统的基础之一。但是，麦克斯韦方程需要这种奇怪的时间扭曲。
半个世纪以来，科学家们忽略了麦克斯韦方程的这个奇怪的预测。直至1905年，一个物理学家终于明白且接受了麦克斯韦理论的这种深刻的时空扭曲。这个物理学家就是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），他创造的狭义相对论改变了人类历史的进程。
失业的革命者
爱因斯坦在他的一生中提出了许多革命性的想法，改变了我们看待宇宙的方式。我们总结一下，可将他的理论分成三大类：狭义相对论、广义相对论和统一场论（未完成的最伟大的科学）。
1905年，26岁，他提出了自己的第一个伟大理论——狭义相对论。对那些对科学界产生如此大的影响的人来说，他的出身是卑微的。
1900年，这位未来世界著名的物理学家发现自己没有工作，运气非常糟糕。当更知名的物理学家在著名大学讲课时，爱因斯坦申请担任教学职位遭到了各个大学的拒绝。他刚完成了自己在苏黎世理工学院的学业，靠兼职辅导挣扎着生存。他的父亲担心儿子的抑郁，写道：“我的儿子为目前的失业状况而沮丧。他越来越觉得自己的事业偏离了轨道……他认为自己是这个社会的负担，产生了很大压力。”
1902年，在一个朋友的推荐下，他获得了瑞士伯尔尼专利局的一份卑微的工作，以支持自己妻子和孩子的家庭生活。尽管爱因斯坦资质过高，才能明显高于这份工作的要求，但事后看来，这似乎是上天最好的安排。
首先，专利局是一个安静的避难所，给了爱因斯坦太多时间思考，以研究自己的时间和空间理论。其次，专利局的工作要求他在发明者的通常措辞模糊的建议中提出关键想法。这教会了他如同之前的牛顿和麦克斯韦一样，如何从实物图片的角度思考，准确无误地瞄准使理论发挥作用的基本思想。
在专利局，爱因斯坦回到了一个在孩童时就困扰自己的问题：如果自己能以光速在一束光线的旁边奔跑，这束光线看上去会是什么样子？他猜测，光波会在时间上冻结，这样，人们就能实际上看到电场和磁场的驻波。
但当爱因斯坦在理工学院学习麦克斯韦方程时，他惊讶地发现，这些方程不接受驻波解。事实上，麦克斯韦方程预测光必须以相同的速度传播，不管你如何努力追赶它。即使一个人以巨大的速度前行，光束仍将以同样的速度领先于他——光波永远不会在静止时被看见。
起初，这似乎非常简单。根据麦克斯韦方程式，地球上的科学家和在火箭中超速行驶的科学家测量的光束的速度是相同的。也许，麦克斯韦本人在19世纪60年代写这个方程时就意识到了这点。然而，只有爱因斯坦明白这个事实的特殊重要性，因为他意识到这意味着我们必须改变我们的时空观念。在1905年，爱因斯坦终于解决了麦克斯韦光理论的难题。在这个过程中，他颠覆了过去的历经几千年的时空观念。
为了便于论证，假设光速为每小时101英里，每小时行驶100英里的火车与光束并排移动。事实上，在这列火车上的科学家应能测量出光速为每小时1英里（每小时101英里减去每小时100英里）。如此，科学家应能从容地仔细研究光的内部结构。
然而，根据麦克斯韦方程，以每小时100英里的速度前行的科学家测量的光速为每小时101英里，而不是每小时1英里。这怎么可能？这列火车上的科学家怎么会愚蠢地认为，光束能达到这样的速度？
爱因斯坦对这个问题给出的解决方案是古怪的，但却是正确的：他假设火车上的时钟比地面上的时钟更慢，且火车上的任何测量尺的长度都缩小了。
这意味着，这列火车上的科学家的大脑相对于地面上的科学家的大脑会变慢。从地面上某人的角度看，这列火车上的科学家测量的光束速度应该为每小时1英里，但实际上，火车上的科学家测量的光束速度为每小时101英里。因为，火车上的科学家的大脑和此列车里的一切都慢了下来。
相对论的结果——超速的物体时间必须放慢，距离必须缩短——似乎违反了常识，这是因为我们通常处理的都是远低于光速的情况。人每小时可以行走大约5英里——比光速慢得多。所以，人们出于各种目的，根据直觉会认为光速是无限的。光，可以在1秒时间内绕地球7次，从我们的观点来看，几乎可算为瞬间移动。
现在，想象一个光速只有每小时5英里的世界，相当于普通婴儿车的速度。如果光速为每小时5英里，那么，时间和空间经历了巨大扭曲将成为“常识”。例如，汽车每小时行驶不能超过5英里，而那些速度接近每小时5英里的人将会变平，像煎饼一样。（奇怪的是，这些缩小的汽车对于观察者来说不仅看起来变平了，还是旋转的。）此外，在这些汽车里变平的人看上去几乎静止（一动不动），时间似乎也冻结了（因为随着汽车的加速，时间会变慢）。当这些变平的汽车在红绿灯处减速时，会逐渐缩小长度，直到达到原来的尺寸，车内的时间将恢复正常。
当爱因斯坦1905年的革命性的论文发表时，该论文在很大程度上遭到了忽视。事实上，他提交这份文件是为了获得一份伯尔尼大学的教学职位，但论文遭到了拒绝。古典牛顿物理学家接受的是绝对空间和绝对时间的概念，爱因斯坦的建议也许是麦克斯韦方程悖论的最极端解。（仅几年后，当实验证据指出爱因斯坦理论的正确性时，科学界认识到这篇论文包含了天才的想法。）
几十年后，爱因斯坦坦言麦克斯韦对狭义相对论发展的重要性，他直截了当地说，“狭义相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程。”
事后看来，我们意识到爱因斯坦能比其他人更深入接受麦克斯韦的理论，是因为他掌握了统一的原则，理解了潜在的链接看似不同对象的统一对称性。（对物理学家来说，对称性有确切的含义——如有一个方程，当你移动或转动它的分量时保持不变，它就有对称性。对称性是物理学家构建统一场论的最有力工具。更多详细信息，参见第7章。）例如，空间和时间（以及物质和能量）。就像牛顿发现地球物理和天体物理可通过万有引力定律统一，或麦克斯韦发现电和磁的统一一样，爱因斯坦统一了空间和时间。
这个理论证明了空间和时间是科学家称之为“时-空”的同一个实体的不同表现。事实上，这个理论不仅统一了空间和时间，它还统一了物质和能量。
乍看之下，在表面上，似乎没有什么东西的差别会比一个丑陋的岩石和灿烂的光芒的差别大。然而，表观具有欺骗性。爱因斯坦首先指出，在某些情况下，即使一块岩石（铀）也能变成一束光（核爆炸）。物质转化为能量的过程，通过原子分裂以实现，原子分裂将释放出储存在原子核内的巨大的能量。在爱因斯坦的意识中，相对论的本质在于物质可以变成能量，反之亦然。
空间扭曲
1919年5月29日，爱因斯坦的广义相对论在巴西和非洲的一次日全食中进行了戏剧性的测试。爱因斯坦的理论预测光束的路径（像物质一样）——当它经过太阳时会弯曲（见下图）。这意味着太阳那样巨大的物质-能量可能会扭曲时空。此星光围绕太阳的偏转是对这些想法一个戏剧性的验证。
星光路径的这种扭曲是通过日食期间比较做出的，当星星变得可见时，测量夜晚的星星位置和白天的星星位置。当科学家测量太阳的存在确实产生了星光弯曲并验证了广义相对论时，世界为之轰动。
从革命到遗物
爱因斯坦受到他早期时空理论和引力理论成功的鼓舞，开始寻找更大的猎物——统一场理论，试图将重力几何理论与麦克斯韦的光理论结合起来。
讽刺的是，尽管全世界都知道阿尔伯特·爱因斯坦与艾萨克·牛顿同样伟大（因为他敢洞察宇宙的秘密），但许多人却不知道爱因斯坦花了自己生命的最后30年，孤独、沮丧，徒劳地探索统一场论。20世纪40—50年代，许多物理学家声称，爱因斯坦已经落伍了。他们说他孤立、与世隔绝，对原子物理学（即量子理论）的新发展一无所知。一些人甚至在他背后嘲笑他衰老了，是一个追逐荒谬的疯子。甚至，与爱因斯坦工作过的高级研究所的所长J.罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer）也在许多场合对自己的同事说，“爱因斯坦的探索是徒劳。”
爱因斯坦自己也承认，“我通常被认为是一种石化的物体，多年来变得又瞎又聋。”在他生命的最后几年，他几乎与自己的同伴完全隔离，因为他被统一场论吸收，而不是原子物理学和量子理论的新发展。“我看起来像一只鸵鸟，”他在1954年说，“我永远把头埋在相对论的沙子里，拒绝面对那邪恶的量子。”
事实上，爱因斯坦对他的几个同事有些失望，他认为这些人目光短浅，心胸狭窄，他写道，“我对那些拿着一块木头，寻找它最薄的部分，在那些最容易钻孔的地方钻很多洞的科学家没什么耐心。”他曾对自己的秘书说，“100年后的物理学家（非当代物理学家）一定会欣赏他的劳作。”偶尔的孤独不会导致他烦恼——“我这种类型的人的本质，”爱因斯坦曾说，“在于思考什么和怎样思考，而不是做什么或遭受什么。”
当时的科学界不是试图将光与重力结合起来（大多数物理学家认为这还为时过早，甚至不可能），而是被吸引到了一个全新的方向：原子和核物理的诞生。
历史上，从来没有一个新的科学分支预示过如此重大的事件：原子弹爆炸。突然间，一些物理学家用铅笔和纸做的无人知晓的工作开始改变人类的进程。他们的神秘方程——只有少数在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯实验室类似地方工作的人能理解的方程，突然变成了世界历史上举足轻重的力量。
20世纪30—50年代，物理学中的主要活动不是相对论或统一场论，而是量子理论的发展。爱因斯坦的大多数同事，例如哥本哈根的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和哥廷根的沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）都忙于构建描述原子和核现象的数学语言：量子力学。那个时代，爱因斯坦几乎是独自一人追求着光与重力的统一。
有人认为，爱因斯坦一生犯了一个最大的错误，拒绝量子力学。然而，这是不了解爱因斯坦科学思想的科学历史学家和记者所特有的错误。其原因是，这些历史学家中的大部分人不懂用于描述统一场论的数学。
50年前发表的爱因斯坦作品的一份仔细的科学读物并未显示他的过时，而是揭示了他的方法的现代化。这些文件清楚地表明爱因斯坦最终接受了量子力学的有效性。然而，他个人认为，量子力学是一门不完全的理论，如同牛顿引力理论那样为真，只是不完整。
爱因斯坦相信量子力学虽然很成功，但绝非最终的理论。他后来的科学工作在很大程度上遭到了非科学家和历史学家的忽视。这些工作表明，他相信统一场论存在一个副产品，可完美解释量子力学的特征。爱因斯坦认为，亚原子粒子和原子只会作为他的重力和光的几何理论出现。
遗憾的是，爱因斯坦在追求这一概念，即自然界中的各种力最终必然通过某些物理原理或对称性联系在一起的过程中去世了。甚至，在他去世40年后，大部分他的传记作者仍然跳过了他最后几年的物理学研究，忽略了他寻找统一场论时走进过的死胡同，而是集中着墨于他对核裁军的热心。
爱因斯坦的错误
虽然物理学家不能完全理解将四种基本力结合成一种理论所需的必要细节，但他们却明确地知道爱因斯坦构建统一场论一定会遇到的麻烦。
爱因斯坦曾说，在他的相对论中，放置在宇宙中的不同地方的时钟以不同的速率跳动，但现实生活里的他买不起家里的时钟。爱因斯坦用这种方式揭示了自己获得伟大发现的方法——用物理图像思考。数学，无论多么抽象或复杂，总是后来出现的，它只是作为一种工具将这些物理图像翻译成精确的语言。爱因斯坦构思的图像是如此的简单和优雅，以至于它们可以被公众理解。数学可能是模糊且复杂的，但物理图像总是简单美丽。
爱因斯坦的一位传记作者指出，“爱因斯坦总是从最简单的可能的想法开始，然后，他会将它放在适当的背景下描述。这个直观的方法就像画一幅画一样，一种经验教会了我知识和理解的区别。”
由于爱因斯坦具有敏锐的洞察力，他能比其他人看得更远。正是爱因斯坦伟大的绘画洞察力使他提出了相对论。30年来，在物理学中，他一直是巨人，因为他的物理图像和构思能力始终正确无误。然而，讽刺的是，在过去的30年里，爱因斯坦没能创造出统一场论，因为他放弃了这种概念性的方法转而求助于没有任何清晰视觉图像的模糊数学。
当然，爱因斯坦意识到自己缺乏指导性的物理原理。他曾经写道，“我相信，为了取得真正的进展必须再次从自然中寻找某些一般性的原理。”然而，不管他多么努力，都无法思考出一个新的物理原理，所以他逐渐变得痴迷于纯数学方向，如“扭曲”几何形状是缺乏物理内容的奇异数学结构。最终，他未能创造统一场论这个他研究的中心，因为他偏离了自己的原始路径。
回顾过去，我们看到超弦理论可能是爱因斯坦多年来一直回避的物理框架。超弦理论非常图像化，包含了无穷多个粒子作为振动弦的模式。如果这个理论兑现了它的承诺，我们会再次看到，最深刻的物理理论可以用一个令人惊讶的简单的图像化的方式来描述。
爱因斯坦追求统一是正确的。他相信一个潜在的对称性是所有的力统一的根源。然而，他使用了错误的策略，试图联合引力和电磁力（光），而不是联合核力。爱因斯坦试图联合这两种力是自然的，因为这是他有生之年的重点研究对象。他有意识地选择忽略核力，这也许可以理解，因为在那时它是最神秘的。同时，他更不喜欢描述核力的理论——量子力学。
相对论揭示了能量、重力和时空的秘密；而主宰20世纪的另一理论是量子力学，是一门物质理论。简单来说，量子力学通过联合波和粒子的双重概念成功地描述了原子物理学。但爱因斯坦并未意识到统一场论的关键在于相对论和量子力学的结合。
爱因斯坦是理解力的大师，但他对物质的理解薄弱，特别是对核物质理解薄弱。接下来，我们谈谈这个问题。
3 量子谜题
20世纪初，一系列挑战牛顿物理学的新实验引起了科学界的混乱。世界见证了从旧秩序的灰烬中浮现出新物理的阵痛。然而，在混乱中出现了两种理论，而不是一种。
爱因斯坦开创了第一个理论——相对论——并集中他的全部努力理解重力和光这些力的性质。然而，理解物质本质的基础是被第二个理论——量子力学——奠定的，它控制亚原子世界的一切现象，由沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）以及他的合作者创建。
两个物理学巨人
在许多方面，爱因斯坦和海森堡的命运是奇怪地互相交织的，尽管他们创造的统一理论完全不同。他们都是德国人，是革命性的破坏传统的人，挑战他们前辈的既定智慧。他们是如此彻底地主宰了现代物理学，以至于他们的发现将决定半个多世纪的物理进程。
他们在惊人的年轻时代就做出了最好的工作。爱因斯坦发现相对论时只有26岁；海森堡制定大部分量子力学定律时只有24岁（21岁，完成博士学位），他获得诺贝尔奖时只有32岁。
两人都沉浸在世纪之交孕育了德国艺术和科学繁荣的知识传统中。大多数有抱负的梦想成为一流物理学家的科学家都进行过德国朝圣之旅。［20世纪20年代末，一位美国物理学家，不满意美国的原始物理水平，奔赴德国哥廷根学习，师从量子力学大师。这位物理学家J.罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer）此后建造了第一颗原子弹。］
两个人物的命运也都被德国历史的黑暗的一面——普鲁士军国主义传统和独裁触动。1933年，法西斯主义开始越来越明显时，爱因斯坦作为一个犹太人，为了自己的生命逃离了纳粹德国。然而，海森堡留在德国，甚至参与了希特勒的原子弹项目。事实上，德国的世界著名物理学家，比如海森堡的存在有助于说服爱因斯坦在1939年写了一封著名的给富兰克林·罗斯福总统的信，敦促他制造原子弹。几年前，OSS（中央情报局的前身）的前代理人曾揭示了盟国非常害怕海森堡，他们起草了必要时暗杀他的周密计划，阻止德国人制造原子弹。
除了个人命运，他们的科学创造也有着错综复杂的联系。爱因斯坦的杰作是广义相对论，它回答以下问题——时间有开始和结束吗？宇宙最远点在哪儿？最远的地方之外有什么？创世之初发生了什么？
相比之下，海森堡和他的同事，如欧文·薛定谔（Erwin Schrrdinger）以及丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）精确地提出了相反的问题——宇宙中最小的物体是什么？物质能无限制地分成越来越小的块吗？在提出这些问题的过程中，海森堡和他的同事创造了量子力学。
在许多方面，这两种理论似乎是对立的——广义相对论涉及星系的运动和宇宙，量子力学探索亚原子世界；相对论主要是一种连续填满所有空间的力场理论（例如，重力场可以与延伸到太空外层的像卷须一样的薄纱相比）；相反，量子力学主要是原子物质的理论，它比光速慢得多。在量子力学的世界，一个力场仅是看上去平滑和连续地占满了所有的空间。如我们仔细研究，会发现它实际上是被量化为离散的单位。例如，光由称为量子或光子的微小能量包组成。
两种理论本身都不能令人满意地描述自然。爱因斯坦徒劳地将相对论推到断裂点，表明相对论本身并不能成为统一场论的基础。量子力学没有相对论也不满意，量子力学只能用于计算原子的行为，不能计算星系和膨胀宇宙的大规模行为。
然而，将这两种理论融合在一起，耗费了数十位理论物理学家近半个世纪的巨大精力。直至最近几年，物理学家借助超弦理论或许最终实现了它们可能的综合。
普朗克——不情愿的革命者
量子食谱
晶体管、激光和量子力学
海森堡测不准原理
决定论的垮台
牛顿认为，宇宙就像一个巨大的时钟，上帝在时间开始时为时钟上足了发条。从那以后，它一直根据牛顿提出的三个运动定律嘀嗒作响。这个理论被称为牛顿决定论，该理论指出运动三定律可以在数学上决定宇宙中所有物体的精确运动。
法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）更进了一步，他相信所有未来的事件（不仅是哈雷彗星和未来的日食，甚至未来的战争和非理性人类决策）都能预先计算，只要所有原子在时间开始时的初始运动为已知。例如，决定论最极端的形式是，数学公式能提前计算出10年后的今天你会去哪家餐馆吃饭，你会点哪些菜品。
此外，根据这种观点，可以事先确定我们是死于天堂还是地狱，没有自由意志。（当拉普拉斯写下他的代表作《天体力学》时，拿破仑问他，为什么没有提到造物主。拉普拉斯回答，“我不需要那个假设。”）
然而，根据海森堡的说法，所有这些都是无稽之谈，我们的命运不会被单一地封闭在量子天堂或地狱。不确定性原则使我们不能预测单个原子的精确行为，更别说宇宙了。根据这个理论，在亚原子领域，只能计算概率。例如，由于不可能知道电子的速度和确切的位置，所以很难预测电子的个体行为。但是，我们能非常精确地预测大量电子表现出某种方式的概率。
例如，想象一下，数百万学生参加每年的大学入学考试。很难预测每个个人在考试中的表现，但我们能以不可思议的准确性预测他们的平均成绩。事实上，平均成绩的钟形曲线每年变化极小。因此，我们可以在考试前预测数百万学生在考试中的平均分数，却不能预测任何一个学生的单一结果。
同样，在单个放射性铀核的情况下，我们知道它不稳定并最终会瓦解，但我们永远不能准确预测它何时以什么能量衰减。不进行原子核状态的实际测量，量子力学不知道它是完好无损的，还是已经蜕变的。事实上，量子力学描述一个单核的方式是假设它是这两种状态的混合。因而，一个铀原子核在被测量之前，物理学家认为，它是处于完好无损和蜕变之间的幽冥状态。
好奇害死了猫
哲学与科学
科学家一直对哲学感兴趣。“没有认识论的科学，”爱因斯坦晚年写道，“是迟钝和糊涂的。”的确，年轻时，爱因斯坦和几个朋友成立了奥林匹亚学院，一个非正式的学习哲学的小组。欧文·薛定谔在发表波动方程的前几年，决定暂时放弃物理的职业而倾向于哲学。马克斯·普朗克在他的书《物理学哲学》中写了自由意志和决定论。
尽管量子力学科学家在亚原子水平上进行的每一个实验都取得了决定性的胜利，但它仍然提出了一个古老的哲学问题——森林中的一棵树倒下，如果没人听道，它会发出声音吗？18世纪哲学家，如伯克利主教和唯我论者会回答“不”！对唯我论者来说，生活是一场梦，除了梦想家并不实际存在。一张桌子只有当一个有意识的人观察它时，它才存在。笛卡尔曾说：“我想，我适用于唯我论者。”
另一方面，自伽利略和牛顿时代以来，科学的所有重大进步都认为，树落下是客观事实且会发出声音——物理定律客观存在且不由主观观察决定。
然而，量子物理学家——把他们的陈述建立在有效且非常成功的数学公式上——上升到了哲学高度，“不进行测量，现实是不存在的。”换句话说，观察过程创造现实。
起初，传统物理学家对这种新的世界观表示怀疑。的确，量子力学的创始人表达了他们的担忧，因为这迫使他们放弃牛顿物理学的古典世界。海森堡会记得自己在1927年深夜与玻尔的对话，几乎陷于绝望。他独自在公园散步，散步期间海森堡反复问自己一个问题——自然像这些原子实验中看起来的那样荒谬吗？但量子物理学家全心全意地接受了这一新理论，就像今天的许多物理学家一样，它控制了未来45年物理学的进程。
然而，有一个物理学家从未接受过量子理论对现实的看法，他是爱因斯坦。他反对量子力学有几个原因。首先，他不认为概率是整个理论的有效基础。他不能接受将纯粹的偶然因素构建到概率理论中。“量子力学给我印象深刻，”他写信给马克斯·伯恩，“……但我深信，上帝不会掷骰子。”
其次，爱因斯坦相信量子理论是不完整的。他争辩，“以下完整理论的要求似乎是必要的：物理现实的每一个元素都必须在物理理论中有一个配对物”，“量子力学在这方面失败了，它只能处理群体行为，而无法详细解释个别事件的理论体系”。
此外，爱因斯坦坚信因果关系，不能接受对宇宙的非客观看法。面对量子力学的实验成功，爱因斯坦给伯恩的信中写道：“迄今，我仍然相信客观真实性，然而目前，实验成功与此背道而驰。”
爱因斯坦几乎是独自一人持反对态度，其他的物理学家纷纷加入了量子潮流。直到死亡，他也认为量子理论是不完整的。爱因斯坦给一位朋友的信中写道：“在同事眼里，我变成了顽固的异教徒。”然而，这似乎并不会对他产生什么干扰。大多数人的意见仍不能使他动摇，爱因斯坦指出，“以牛顿的古老引力理论为例，它成功了200多年才被揭示出是非完整的。”
应该强调的是，爱因斯坦确实接受了量子力学的数学方程。然而，他认为量子力学是一个潜在理论（统一场论）的不完整表现。他从未放弃寻找一种理论将量子现象和相对论结合起来。当然，他未能活着看到超弦理论可能会变成这样的理论的那天。
实用主义规则
没有相对论，量子力学是失败的
撇开哲学问题不谈，20世纪30—40年代，量子力学就像一辆势不可挡的麦克卡车行驶在高速路上，将困扰物理学家几个世纪的所有问题变得简单。一个傲慢的年轻量子物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）激怒了许多化学家，他狂妄地说，“量子力学可将化学中的一切简化为一组数学方程。”
然而，量子力学本身并不是一种完全的理论。我们应该小心地指出，只有当物理学家用量子力学分析那些比光速低得多的微观世界时它才起作用。当它试图包含狭义相对论时，麦克卡车撞上了砖墙。
从这个意义上说，量子力学在20世纪30—40年代的恢弘的成功只是侥幸。氢原子中的电子的速度通常比光的速度低很多。如果大自然创造的原子的电子速度接近于光速，狭义相对论将变得越来越重要和正确，量子力学却显得不那么成功了。
在地球上，我们很少能看到接近光速的现象。量子力学在解释日常生活方面很有价值，比如，激光器和晶体管。然而，当我们分析宇宙中超快速的和高能粒子时，量子力学将让步于相对论。
想象一下，在赛道上驾驶丰田汽车如出现以下情况——车速慢于每小时100英里时，车会表现得良好；当你试图以每小时150英里的速度行驶时，汽车可能会抛锚甚至失控。这并不意味着我们对汽车工程的理解已经过时，车必须被扔掉；相反，对于超过每小时150英里的速度，我们需要一辆经过彻底改装的汽车使其能应付如此高的行进速度。
同理类推，当处理远低于光速的速度时，狭义相对论可以忽略，科学家们发现此时的测量与量子力学的预测一致。当处理高速问题时，量子理论失效了，量子力学必须与相对论结合。
量子力学和相对论的第一次联姻是个灾难，当时，创造了一个疯狂的理论（称“量子场论”）。几十年来，它仅产生了一系列毫无意义的结果。例如，每一次，物理学家试图计算电子碰撞会发生什么时，量子场论都会预测电子碰撞为无限值。
量子力学和相对论的完全结合，必须包括狭义相对论和广义相对论，这是本世纪的一个重大的科学问题，只有超弦理论声称能解决它。
仅只有量子力学是有限的，就像19世纪的物理学家，只针对点粒子而不是超弦。
高中，我们学习力场，如重力场和电场服从“平方反比定律”——距离粒子越远，重力场和电场越弱。例如，离太阳越远，引力作用越弱。然而，这同时意味着，当人们接近粒子时，该力会急剧上升。事实上，在一个点粒子的表面，点粒子的力场必须是零平方的倒数，也就是1/0。然而，像1/0这样的表达式是无限的，定义不清。这足以使理论变得无用，包含不定式的理论无法计算，因为结果不可信。
不定式的问题困扰了物理学家50年。只有超弦理论出现，这个问题才能得到解决，因为超弦消除了点粒子，用弦替换了它们。海森堡和薛定谔所做的最初假设——量子力学应该建立在点粒子上——太严格了。一个新的量子力学可以建立在超弦理论的基础上。
然而，设法将狭义和广义相对论与量子力学结合起来的理论的机制只能在弦中被发现其迷人的特征，我们将在下面的章节详细讨论。
4 无穷大之谜
保险箱窃贼和理论物理学家有什么共同之处？理查德·费曼（Richard Feynman）是一个成功的保险箱窃贼，他打开了世界上防护最严密的一些保险箱，他也是世界著名的物理学家。根据费曼的说法，保险箱窃贼和物理学家都擅长通过看似随机的线索或者拼凑的微妙的模式找到问题的答案。
自20世纪30年代以来，物理学家们一直被一种令人沮丧的情绪吞噬——无法破解量子场论“保险箱”的任务，无法找出成功结合量子力学和相对论的关键。然而，在过去的20年，物理学家终于真正从原子对撞机的实验数据中发现了诱人线索，形成了系统的模式。
今天，我们意识到，这种模式可以表达为一种潜在的数学对称性将看似完全不同的各种力联系起来。我们将看到，这些对称性可在抵消量子场论中的分歧中发挥中心作用。发现这些对称性可以抵消这些差异也许是过去半个世纪物理学中最伟大的一课。
费曼的恶作剧
这种利用对称性以及在任何问题中提取关键因素的技巧导致费曼在1949年得出了第一个量子力学与狭义相对论的成功结合。为此，他和他的同事获得了1965年的诺贝尔奖。
这个理论被称为“量子电动力学（QED）”。以今天的标准看，这只是一个微薄的贡献，只处理光子（光）和电子（而不是弱核力或核力，更不是重力）的相互作用。但它标志着，科学家经历了多年的挫折之后，在结合狭义相对论与量子力学过程中取得了第一个重大进展。
量子电动力学理论不同于相对论，犹如费曼的个性不同于爱因斯坦。与大多数物理学家不同，爱因斯坦有一种顽皮的性格，他会抓住一切机会取笑传统社会的保守的崇拜物。如果，爱因斯坦是顽皮的，物理学家理查德·费曼就是个古怪的恶作剧者。
费曼是一名年轻的物理学家，20世纪40年代从事原子弹项目时就显示出了他爱开玩笑的性格。他为自己的窃取保险箱的能力而自豪。一天，在洛斯阿拉莫斯（Los Alamos），他连续破解了一排三个装有原子弹敏感军事方程式的保险箱。在一个保险箱中，他留下一条潦草地写在黄色纸条上的信息吹嘘自己打开保险箱有多么容易，并签名“聪明人”。在最后一个保险箱，他放入了一条类似的信息，并签名“同一个人”。
第二天，弗雷德里克·德·霍夫曼（Frederic de Hoffman）博士打开保险箱，在世界上保守最严密的信息上发现了费曼留下的神秘信息。费曼回忆道：“我曾在书本上读到过，当人感到害怕时，脸色会变得蜡黄，但我并未真正体验过。这绝对是真的。霍夫曼的脸色变成灰色、黄绿色——非常可怕。”霍夫曼博士看了那张由神秘的“同一个人”签名的纸条，立刻喊道，“‘同一个人’一直试图进入欧米茄大楼！”霍夫曼博士歇斯底里地得出了错误结论：“保险箱窃贼是那个明显在窥视洛斯阿拉莫斯的另一个绝密项目的人。”费曼很快做出了坦白，他成了罪魁祸首。
费曼在处理物理世界的一个更困难的问题时，展示了自己打开保险箱的天才能力，他消除了量子场论中的无穷性。
S矩阵——为什么天空是蓝色的？
当费曼还是麻省理工学院的学生时，他问了自己一个简单的问题：在所有理论物理中，最重要的问题是什么？显然，答案是，消除充斥在量子场论的无穷性。
费曼开始用数字预测，当诸如电子或原子之类的粒子相互碰撞时会发生什么？物理学家描述这种碰撞时，通常使用S矩阵这个术语（S代表“散射”）。它仅是一组数字，包含了粒子碰撞时发生的所有信息。它告诉我们，多少粒子会以某一角度散射一定数量的能量。
计算S矩阵非常重要，如果S矩阵是完全已知的，预测材料的几乎所有特性将在原则上成为可能。S矩阵的一个重要之处是，它能解释令人困惑的日常现象。例如，19世纪的物理学家使用粗糙形式的S矩阵说明太阳光在空中的散射，我们第一次能解释天空为什么是蓝色的，夕阳是红色的。
当我们在白天看天空时，我们主要看到的是从空气分子中反弹出来并在所有方向散射的太阳光。因为蓝光散射比红光更容易，来自天空的光大多是散射光，所以天空看上去是蓝色的。（如果我们想象一个没有空气的世界，白天的天空也是暗色的，因为没有散射光。月球上，没有空气散射阳光，白天的天空看起来也是黑色的。）
同时，因为相反的效果，日落看起来是红色的——我们主要看到了太阳本身，而非散射光。日落时，太阳位于地平线附近，所以来自夕阳的光必须水平传播到达我们的眼睛，从而穿过一个相对大量的空气。当阳光到达我们身边时，只有红色光未被散射。
20世纪30年代的量子物理学家计算氢原子和氧原子碰撞的S矩阵时，他们证明水会被创造出来。事实上，如果我们知道原子间所有可能的碰撞的S矩阵，原则上我们可以预测所有可能分子的形成，包括DNA分子。最后，这意味着S矩阵掌握了生命本身的起源。
事实上，物理学家必须面对一个根本问题——当传播速度近于光速时，量子力学将失效。早在1930年，罗伯特·奥本海默就发现当狭义相对论与量子力学结合时，会预测出S矩阵一系列无用的无穷大值。他写道，除非这些无穷大值能被消除，否则这个理论必须被丢弃。
20世纪40年代，费曼使用他最好的窃取保险箱技术，在纸片上涂鸦，用图画描绘当电子相互碰撞时发生的事情。由于每个涂鸦实际上是大量乏味数学的速记符号，费曼能浓缩数百页的代数，隔离麻烦的无穷大。这些数学涂鸦让他比那些迷失在复杂数学丛林中的人看得更远。
毫不奇怪，“费曼图”是物理界争论的焦点，在这个问题上物理学家们意见不一。因为费曼无法推导出他的规则，他的批评者认为，这些图表是荒谬的，或许只是他的另一个著名的笑话。一些批评者更喜欢另一个量子电动力学版本，由哈佛大学的朱利安·施温格（Julian Schwinger）和东京大学的友永一郎（Shinichiro Tomonaga）建立。然而，更有洞察力的物理学家意识到，费曼正在用这些图片做一件有潜力的意义深远的事情。普林斯顿物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）解释了这种混乱的来源：
迪克的物理学对普通人如此困难的原因在于他未使用方程式。自牛顿时代始，通常的理论方法为建立方程式，然后努力计算方程的解。迪克只是写下了自己脑袋中得出的解，未写出方程式。他对事情的判断只需要一个物理图像，他能通过这个图像得出解，只需最少的计算。那些毕生致力于求解方程的人一定会被他弄糊涂——他们的思想是分析性的；迪克的方法是图画。
费曼的涂鸦很重要，因为它们允许他充分利用规范对称的力量，这引发了一场物理学革命，并一直延续至今。
组装式玩具和费曼图
费曼发现，这些树状图是有限的，并能通过实验产生好结果。但循环图非常麻烦，能产生无意义的无穷大。从本质上说，20世纪40年代的量子物理学家重新发现了19世纪物理学家发现的问题，即发现点粒子的能量是1/0。
今天，超弦理论很可能会消除所有的这些无穷大，不仅是电子和光子的无穷大，甚至重力相互作用中的无穷大。然而，费曼在20世纪40年代就发现了量子电动力学中无穷大问题的局部解。
……
然而，实验结果是不可否认的。20世纪50年代，费曼的重整化新理论（提供一种吸收无穷大的方式）允许物理学家以不可思议的精度计算氢原子的能级。没有其他理论能接近量子电动力学理论那惊人的计算精度。尽管该理论只适用于电子和光子（而不是弱力、强力或重力），但它惊人的成功不可否认。
在证明费曼的理论与施温格（Schwinger）和加来（Tomonaga）等价后，这三人在2006年分享了诺贝尔奖。事后看来，我们认识到，真正的成就是他们利用了麦克斯韦的规范对称性，这是在量子电动力学中神秘地消除无穷大的主要原因。这种一次又一次发现的对称性和重整化之间的相互作用是物理学重大的秘密之一。超弦理论有着物理学中从未发现过的最大的一组对称性，强大的对称性是超弦理论具有奇妙性质的核心原因。
重整化理论的失败
重整化与弱相互作用
弱相互作用涉及电子及名为“中微子”伙伴的行为。（弱相互作用粒子统称为“轻子”。）在宇宙的所有粒子中，中微子也许是最奇怪的，因为它是迄今为止最难找到的——它没有电荷，可能没有质量，且非常难以察觉。
中微子是沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年基于纯粹的理论基础解释放射性物质中奇怪的能量损失做出的预测。泡利推测，丢失的能量被实验中看不到的新粒子承载。
1933年，伟大的意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）发表了第一篇这种难以捉摸的粒子的综合理论，他称这个粒子为“中微子”（意大利语中的“小中立者”）。当然，由于中微子的想法源自推测，他的论文在初期遭到了英国自然杂志的拒绝。
众所周知，中微子实验非常困难，因为中微子非常有穿透力，且不会留下任何痕迹。事实上，它们可以轻易地从太空进入地球，穿透地球核心，进入我们的身体。每一秒，我们的身体都充满了这些中微子。如果我们整个太阳系都充满了固体铅，一些中微子仍然能穿透那可怕的屏障。
中微子的存在终于在1953年在一项困难的实验中得到证实。这项实验是研究核反应堆产生的巨大辐射。自中微子发现以来，多年来，发明者一直试图研究它的实际用途，最雄心勃勃的是建造中微子望远镜。
电弱理论的成功
1967—1968年，史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）注意到光子和W粒子惊人的相似性。然后，他们发表了以下意见：尽管爱因斯坦曾试图将光与重力结合起来，也许正确的统一方案是将光子与弱相互作用的W粒子统一起来。这个新的W粒子理论叫电弱理论，与此前的理论有着决定性的不同，因为W粒子理论使用了当时可用的杨-米尔斯理论的最复杂形式的规范对称性。该理论于1954年被提出，比麦克斯韦具有更多的做梦也想不到的对称性。（我们将在第7章解释。）
杨-米尔斯理论包含了一种新的数学对称性［数学上表示为SU（2）×U（I）］，这允许温伯格和萨拉姆在同一个基础上将弱力和电磁力结合在一起。这个理论将电子和中微子系统地处理为一个“家族”。就理论而言，电子和中微子实际上是同一枚硬币的两面。（然而，该理论并未解释为什么有三个多余的电子家族。）
尽管该理论在那个时代是最雄心勃勃和最先进的理论，但它并未引起太多人的注意。物理学家认为，它可能是不可标准化的，就像所有的其他死胡同，充满了无穷大。
温伯格在他的原始论文中推测，杨-米尔斯的W粒子理论可能是可重整化的，但没有人相信他。然而，这一切在1971年发生了变化。
在经历了30年的在W粒子理论中的无穷大痛苦之后取得了戏剧性的突破，24岁的荷兰研究生杰拉德·特·胡夫特（Gerard’t Hooft）证明了杨-米尔斯理论可重整化。他仔细检查他的计算，显示无穷大消除了，胡夫特将计算放在电脑上。人们可以想象胡夫特在等待结果时的兴奋。他后来回忆：“那次测试的结果是1971年7月获得的，程序的输出是一个不间断的零的字符串。每一个无限都被完全消除了。”
几个月内，数百名物理学家争相学习胡夫特的这项技术和温伯格和萨拉姆的理论。第一次，实数而不是无穷大从S矩阵中涌出。早些时候，1968—1970年，物理学家没有一篇文章引用温伯格和萨拉姆的理论。然而，1973年，他们的研究结果的影响逐渐被大家认识，有162篇关于他们理论的论文发表。
不知何故，物理学家们仍未完全理解构建在杨-米尔斯理论中固有的对称性是如何消除无穷大的，如何解决了早期W粒子理论的无穷大问题。其原因是，对称和重整化之间惊人的相互作用（我们将在第7章中详述）。这也是几年前研究量子电动力学的物理学家们所做的发现的再现——对称性以某种方式消除了量子场论中的分歧。
格拉肖——革命的无政府主义者
介子与强力
物理学家们被电弱理论的巨大成功冲昏了头脑，开始将注意力转向强力的解决。
会第三次取得成功吗？
规范对称性消除了QED和电弱理论的分歧。规范对称性也是消除强相互作用中的无限性（无穷大）的关键吗？答案是肯定的，但是在持续了几十年的大量混乱之后。
强相互作用理论的起源可追溯到1935年，当时，日本物理学家汤川秀树提出，原子核里的质子和中子是通过称为“π介子”的粒子交换聚合在一起的。就像量子电动力学一样，电子和原子核之间的光子交换将原子结合在一起，汤川通过类比提出这些介子的交换将原子核结合在一起，他甚至预测了这些假设的粒子的质量。
汤川秀树第一个提出自然界中的短程力可以用大量粒子的交换来解释。事实上，汤川秀树的介子思想提供了原创灵感，使几年后的其他物理学家提出W粒子作为弱力的载体。
1947年，英国物理学家塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell）在他的宇宙射线实验中发现了介子。这个粒子的质量非常接近汤川秀树12年前的预测。由于汤川秀树在揭开强力奥秘时做的先驱工作，他在1949年获得了诺贝尔奖，鲍威尔获得了1950年的诺贝尔奖。
尽管介子理论取得了相当大的成功（还是可重整的），但它绝不是终点。20世纪50—60年代，物理学家利用各个国家实验室里的原子粉碎机发现了数百种不同类型的强相互作用的粒子——“强子”（包括介子和其他强相互作用的粒子，如质子和中子）。
数百个强子的存在使我们陷入困境。没人能解释在探测亚原子领域时为什么自然会突然变得复杂，而不是越来越简单。相比之下，20世纪30年代，事情似乎很简单——人们认为宇宙由四种粒子和两种力组成（电子、质子、中子、中微子，光和重力）。根据定义，基本粒子的数量应该很少，但20世纪50年代的物理学家被国家实验室发现的新强子淹没。显然，需要一种新理论在这种混乱中找出一些新道理。
诺贝尔奖获得者恩里科·费米观察了大量的新强子，每个都有一个奇怪的希腊名字，他曾哀叹，“如果我能记住所有这些粒子的名字，我一定会成为植物学家。”
罗伯特·奥本海默开玩笑地说，“诺贝尔奖应该颁给那年未发现新粒子的物理学家。”
至1958年，强相互作用粒子数量增长已非常快，以至于加州大学伯克利分校的物理学家出版了一份年鉴对其跟踪。第一本年鉴有19页，分类了16个粒子。1960年，粒子的数量大大增加，以至于出版了页码更厚的年鉴。至1995年，这份名单已超过了2000页，描述了几百个粒子。
汤川的理论虽然可以重整，但仍过于原始，无法解释实验室里出现的众多的粒子。显然，重整化是不够的。正如我们前面看到的W粒子理论中缺少的成分是规范对称性。经过几十年的困惑，利用规范对称性力量的同一经验也要用到强力上。
世界内部的世界
20世纪60年代初，认为强子之下存在亚层的想法出现了下一个突破，当时加州理工学院的莫里·盖尔曼（Murray Gellmann）和以色列物理学家尤瓦尔（Yuval Neoman）表明这数百个强子以“8”的模式出现，很像门捷列夫的周期表。盖尔曼异想天开地称这个数学理论为“八重法”。他在八重法表上寻找“漏洞”，像他之前的门捷列夫一样，盖尔曼可以预测尚未被发现的粒子的存在甚至特性。
如果八重法可与门捷列夫周期表相媲美，那么，构成周期表中原子的电子和质子的对应物是什么？
后来，盖尔曼和乔治·茨威格（George Zweig）提出了完整的理论。他们发现八重法的出现是因为亚核粒子的存在（盖尔曼称之为“夸克”，出自詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根的觉醒》），这些粒子遵循坂田学派几年前提出的对称性SU（3）。
盖尔曼发现，通过简单地组合三个夸克可以奇迹般地解释在实验室中发现的数百个粒子，更重要的是预测新粒子的存在。（盖尔曼的理论，虽然在许多方面与坂田的理论类似，但使用了与坂田稍许不同的组合，纠正了坂田理论中一个小且重要的错误。）事实上，通过适当组合3个夸克，盖尔曼能描述几乎所有在实验室里出现的粒子。由于他对强相互作用的物理学的贡献，盖尔曼于1969年获得诺贝尔奖。
与夸克模型一样成功的是，它留下了一个喋喋不休的问题：能解释将这些夸克聚集在一起的力的令人满意的可重整化理论在哪儿？因此，夸克理论仍然是不完整的。
量子色动力学
与此同时，20世纪70年代早期，充满激情的温伯格和萨拉姆的电弱理论也影响到了夸克模型。自然的问题是：为什么不试试用对称性和杨-米尔斯场消除分歧？
虽然结果尚无定论，但今天有一种实际上的普遍认识，认为杨-米尔斯理论奇妙的性质和对称性可以成功地将夸克束缚到可重整的框架中。在某些情况下，一个被称为“胶子”的杨-米尔斯粒子可以表现得好像是黏性的胶状物质将夸克黏合在一起。这就是所谓的“色”力，由此产生的理论为“量子色动力学”（简称QCD ），这个理论被广泛认为是强相互作用的最终理论。初步的计算机程序表明杨-米尔斯场的确束缚了夸克。
随着杨-米尔斯理论和量子色动力学的成功，物理学家问：自然真的如此简单吗？到目前为止，物理学家陶醉于成功。使用规范对称（以杨-米尔斯理论的形式）来创建可重整化的理论的神奇的公式，似乎是某种成功的药方。
下一个问题是：会取得第四次成功吗？能够创建一个强、弱和电磁相互作用的统一理论吗？答案似乎仍然是肯定的。
5 寻找顶夸克
寻找脚趾夸克
几代夸克
标准模型
目前，没有实验偏离标准模型。因此，这可能是在科学史上被提出的最成功的理论。然而，大多数物理学家发现标准模型不吸引人，因为它异常丑陋不对称。（关于物理学对称性的更详细讨论，见第7章。）因为实验非常成功，大多数物理学家认为标准模型只是通向真正的万物理论的中间步骤。原因是标准模型很丑陋，它是通过蛮力将电磁力、弱力和强力黏合在一起形成的理论。想想，尝试将显然不合适的三块拼图强行拼在一起，拼接它们的带子就是标准模型。
为了理解这个理论有多丑陋，让我们总结一下各种零件是如何装配在一起的。
首先，强相互作用用36种夸克描述，得出6种口味，3种颜色，以及物质/反物质对。将它们黏合在一起形成质子和中子的“胶水”是胶子（由杨-米尔斯场描述），总共有8个胶子场。综合起来，这个理论被称为量子色动力学，或“色”相互作用理论。
弱相互作用也有类似的生成问题。第一代有电子和中微子，第二代有μ子和它的中微子，第三代有τ粒子及其中微子。这些粒子被统称为“轻子”，它们是在强相互作用中被发现的夸克的对应物。这些轻子反过来通过交换W粒子和Z粒子（它们是巨大的杨-米尔斯场）相互作用，总共有四种这样的粒子。
然后是电磁相互作用，这是由麦克斯韦场调节的。
最后，还有一种“希格斯粒子”（一种允许我们打破杨-米尔斯场对称性的粒子）。除了希格斯粒子之外，其他粒子都是在原子粉碎机中发现的。
目前，物理学家探测亚原子粒子的相互作用已超过10000亿电子伏特，未发现任何实验偏离标准模型。然而，尽管这个理论具有无可否认的成功，但它没有吸引力。我们知道，它不能成为最终的理论，因为：
1．它有如此奇异的夸克、轻子、胶子、W粒子和Z玻色子。
2．夸克和轻子都有整整三代，它们不能被区分（除了它们的质量）。
3．它有19个任意参数，包括轻子的质量，W粒子和Z玻色子的质量，强相互作用和弱相互作用的相对强度等。（标准模型不确定这19个数字的值。它们是在模型中无正当理由地临时插入的，且是通过仔细测量这些粒子的性质被确定。）
作为一个指导原则，爱因斯坦总会问自己这个问题：如果你是上帝，你会如何构建宇宙？当然不是用19个可调参数和一大群多余的粒子。理想情况下，你只需要1个可调整参数（或者没有可调参数），只用1个对象构造自然界中所有的粒子，甚至可能是空间和时间。
通过类比，我们看门捷列夫周期表，以及它的100多种元素集合，这是“上个世纪的粒子”。没人能否认门捷列夫周期表在描述物质的构造砖块上取得的成功。但事实上，它是随机选择的，有数百个任意常数，因此是不吸引人的。今天，我们知道，整个表可以用3个粒子来解释——中子、质子、电子。同样，物理学家认为，标准模型存在奇怪的多余夸克和轻子，应该由更简单的结构构成。
GUT和重整化
将这些粒子彼此重组的最简单的理论叫做SU（5），是哈佛大学霍华德·乔治（Howard Georgi）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）在1974年提出的。在这个“大统一理论（GUT）”中，电子、中微子和夸克通过SU（5）对称连接。相应地，光子，弱相互作用的W粒子，以及强相互作用的胶子拼凑在一起形成另一个力的家族。
因为强相互作用与电弱力联合的能量超出了我们现在的粒子加速器的范围，所以GUT理论很难被检验。尽管如此，GUT理论确实做了一个惊人的可用今天的技术测试的预测。
这个理论预测夸克可以通过发射另一个粒子变成电子。这意味着质子（由3个夸克组成）最终会衰变为电子，且质子的寿命是有限的。GUT理论的这个认为质子最终会衰变为电子的惊人的预测，已促使全世界新一代的实验物理学家努力测试。（虽然几组实验物理学家用埋在地球深处的探测器正寻找质子衰变的证据，但目前还没有人能决定性地确定质子的衰变。）
回想起来，尽管GUT理论代表了一种非凡的进展，将电弱力和强力统一起来，但存在严重的实验问题。例如，除了质子衰变实验之外，很难甚至不可能直接测试GUT理论。
更重要的是，GUT理论在理论上也不完整。例如，它未解释为什么有这些粒子族（电子、μ和τ）的3个副本。此外，数十个任意常数（例如夸克的质量，轻子的质量和希格斯粒子的数量）贯穿整个理论。那么多未定的参数使GUT理论类似于鲁伯·戈德堡装置。对物理学家来说，一个理论具有如此多的未定参数，实在让人难以相信。）
然而，尽管GUT理论存在问题，物理学家仍然希望这个理论取得成功。一个简单的规范理论（如杨-米尔斯理论）会产生重力理论吗？
答案是否定的，尽管规范理论取得了很多成功，但在处理重力时撞上了砖墙。杨-米尔斯的形式体系仍然太原始，无法解释重力。这也许指向了GUT理论的最根本问题——尽管它很成功，但不能包含重力的相互作用。
在新思想诞生之前，在这一领域进展缓慢，新思想的建立是基于比杨-米尔斯理论更大的对称性。这个理论是超弦理论。
第二部分 超对称和超弦
6 超弦理论的诞生
超弦理论在科学编年史上也许有着最奇怪的历史。除此之外，我们找不到一个理论，它的提出竟是作为错误问题的解决方案，被放弃了10多年后又作为宇宙理论复活了。
超弦理论始于20世纪60年代，在杨-米尔斯理论和规范对称性繁荣之前，重整化理论作为一个被无限困扰的理论仍处在挣扎中的时候。
重整化理论似乎是人为的，受到了强烈的反对。对立的学派是由加州伯克利大学的杰弗里·丘（Geoffrey Chew）领导的，他提出了一个独立于基本粒子、费曼图和重整化的新理论。
丘的理论不是假设一系列复杂的规则来详细说明某些基本粒子如何通过费曼图与其他粒子相互作用，这个理论只要求S矩阵（数学上描述粒子的碰撞）是自我一致的。丘的理论假设S矩阵遵循严格的一组数学性质，然后假设这些属性非常严格，以至于只有一种解决方案是可能的。这种方法通常被称为“自举”法，因为从字面上说，是靠自己的力量自举起来的（从只有一组假设开始，然后从理论上只用自我一致推导答案）。
因为丘的方法完全基于S矩阵，而不是基于基本粒子或费曼图，这个理论被称为“S矩阵理论”（不要与所有物理学家都使用的S矩阵本身混淆）。
这两种理论，量子场论和S矩阵理论，是基于对“基本粒子”意义的不同假设。量子场论是基于所有物质都可以由一小组基本粒子构成这样的假设；S矩阵理论是建立在无穷多个粒子基础上的，没有基本粒子。
回顾过去，我们看到超弦理论结合了S矩阵理论和量子场论最好的特点，这两个理论在许多方面是对立的。
超弦理论类似于量子场论，因为它是以物质的基本单位为基础的。然而，超弦理论不是基于点粒子，而是通过打破和改造类似于费曼的图表来相互作用的弦。超弦理论超越量子场论的显著优势是，不需要重整化。所有的每一级的循环图表或许都是有限的，不需要人为去掉无穷大。
超弦理论类似于S矩阵理论，可以容纳无限数量的“基本粒子”。根据这个理论，自然界中发现的多样的粒子只是同一根弦的不同共振，不存在比任何其他粒子更基本的粒子。然而，超弦理论超越S矩阵理论的显著优势是，它能计算最终得到S矩阵的数字。（相比之下，S矩阵理论极难计算和提取可用数字。）
因此，超弦理论结合了S矩阵理论和量子场论两者的优点，因为它是基于物理图像的理论。
同时，超弦理论不同于S矩阵理论或量子场论，它们是基于多年的耐心发展，1968年出乎意料地出现在物理学界。超弦理论的发现则完全偶然，而非一系列逻辑思维的结果。
猜测答案
南布模式
南布的弦
南布最初提出弦的概念是为了在国家实验室里发现的数百个强子的混乱中找出某些意义。显然，这些强子在任何意义上都不可能被认为是“基本的”。南布认为，强相互作用物理学的混乱一定是一些潜在结构的反映。
几年前，他的同事汤川和其他人，如海森堡，提出了一个建议，“认为基本粒子并不是点，而是脉动和振动的‘斑点’。”多年来，所有建立在斑点、薄膜和其他几何物体基础上的量子场论的努力都失败了。这些理论最终都违反了一些物理原理，比如，相对论（如果斑点在某点被摇动，振动会以比光还快的速度穿过斑点）。
南布的开创性想法是，假设强子由振动弦构成，每种振动模式对应于一个独立的粒子。（超弦理论不会违反相对论，因为沿着弦的振动，传播速度只能小于或等于光速。）
想想，与小提琴弦的类比。这么说吧，我们得到了一个产生音乐音调的神秘盒子。如果我们对音乐一无所知，会首先尝试将音调编目，给它们起名字，如C、F、G等。我们的第二个策略是，发现这些音调之间的关系，例如可观察到它们以八度为一组出现。从这里，我们能发现和谐的法则。最后，我们会努力假设一个“模型”，用一个单一的原理解释和声和音阶，如一根振动的小提琴弦。同样，南布相信，威尼斯诺和铃木发现的贝塔函数可以用振动弦来解释。
剩下的一个问题是，解释弦相撞时发生了什么。因为弦的每个模式代表一个粒子，了解弦如何碰撞允许我们计算普通粒子相互作用的S矩阵。在威斯康辛大学工作的三个物理学家，布尼·萨基塔（Bunji Sakita）、菊治（Keiji Kikkawa）和米格尔·维拉索罗（Miguel Virasoro kawa）推测丘的S矩阵的最后剩下的假设（统一性）可以用重整化理论解决这个假设的同样方法满足：通过添加循环。换句话说，这些物理学家建议，重新引入这些弦的费曼图。（在这点上，许多S矩阵理论者感到沮丧。这个异端想法意味着重新引进循环和重整化理论，这是S矩阵理论所禁止的。这对于S矩阵阵营里的纯粹主义者来说非常不友好。）
他们的提议最终被我们中的一个（加来道雄）和一个合作者（余乐平）完成了。当时，他们是加利福尼亚伯克利大学的研究生，一起工作的还有加州大学伯克利分校的克劳德·洛夫莱斯，以及那时在欧洲核子研究中心的阿根廷物理学家亚历山德罗尼。
折纸的乐趣
超弦理论的死亡
虽然超弦理论是一个美丽的数学公式，似乎适合一些强交互数据，但这个模型有着令人沮丧的困难。
首先，该理论预测了太多的粒子。这个理论有像“引力子”（引力的量子包）和光子（光包）一样的粒子。事实上，闭合弦的最低振动对应于重力，开放弦的最低振动对应于光子。
对于一个描述强相互作用而不是重力或电磁作用的理论，这是灾难性的。在强相互作用理论中，引力子和光子有什么作用？（事实上，这是一种变相的幸事，但当时的人们并未认识到。在弦理论中，引力和光的相互作用正是形成统一场论的必需。）
其次，这个理论似乎预测了“超光速粒子（tachyons）”的存在，是比光速更快的粒子。这些粒子是不可取的，因为它们暗示违背因果关系——也就是说，回到过去，遇见生你之前的母亲。
第三，也是最具破坏性的，物理学家很快发现，最初的南布理论仅在二十六维上是自洽的。（对任何理论来说，不一致就接近死亡。例如，如果一个理论不一致，它最终会做出荒谬的预测，例如，1+1=3。）
欧洲核子研究中心的克劳德·洛夫莱斯（Claude Lovelace）首先发现了在二十六维似乎有更好的数学结构的弦模型。然后是麻省理工学院的理查德·布劳尔（Richard Brower）和查尔斯·索恩（Charles Thorn）等人提出，除非该理论能在二十六维定义，否则该模型将崩溃。很快，物理学家发现弦理论模型只在十维自洽。
对大多数物理学家来说，十维实在太多了。对于习惯了四维思考的科学家来说，这个理论更像科幻小说，而非真正的科学。结果，超弦理论在1974年失宠了。许多物理学家（包括加来道雄）不情愿地抛弃了这个模型。
加来道雄仍然记得许多物理学家在知道这个模型只能在二十六维和十维是一致时所感到的震惊和沮丧。我们都记得尼尔斯·玻尔的名言：“伟大的理论应该足够疯狂，但它把我们科学想象的极限延伸到相信宇宙可能存在于二十六维甚至十维上。”
众所周知，空间有三个维度：长度、深度和广度。宇宙中任何物体，从一只蚂蚁到太阳都能用这三个维度来描述。
如果我们想描述太阳的年龄，我们还需要一个维度：时间。利用这四个量（长度、深度、宽度和时间），我们可以描述宇宙。因此，物理学家说，我们生活在一个四维的宇宙中。
科幻作家最喜欢的一种方法是发明一个超过四个维度的世界。假设“平行宇宙”存在，它类似于我们自己的世界，但却在不同的维度上。这只是作家的作品，物理学家从未认真看待平行宇宙这个想法。所以，当弦的模型预测一个高维度的宇宙时，它被大多数物理学家拒之门外。
1974—1984年，研究弦模型的物理学家变得更加贫乏，多数物理学家致力于电弱理论和GUT理论的快速发展。只有最敬业的员工，比如伦敦玛丽女王学院的迈克尔·格林（Michael Green）和加州理工学院约翰·施瓦茨（John Schwarz）继续研究这个理论。
1976年，几位物理学家试图通过提出一种古怪的建议来复活这个理论。巴黎的乔尔·舍尔克（Joel Scherk）和约翰·施瓦茨（John Schwarz）建议对弦模型作重新解释，他们决定将邪恶变成美丽。在他们的方法中，超弦理论是用于错误问题的正确理论。它不是一个强相互作用的理论，而是一个宇宙理论！
这种对弦模型的重新解释遇到了极端的怀疑主义。毕竟，这一理论仅在预测强相互作用方面取得了适度的成功，现在的舍尔克和施瓦茨却欲使其成为解释宇宙的理论。这个想法尽管聪明，但并不严肃。毕竟，这个理论确定在十维。施瓦茨总结了当时的情况，他说，“没有人指责我们是疯子，但我们的工作确实被忽视了。”
弦之子
意外的胜利和精明的观察
量子力学与相对论结合的另一个副产品是异常。异常很小，但它在量子场论中是一个潜在的或许致命的缺陷，必须被取消或消除。这些异常不被消除，这个理论将没有意义。
异常类似于混合最好的黏土、沙子和矿物制造釉面陶器时出现的小缺陷。如果在混合正确比例的配料时出现了哪怕一小点儿的错误，这个小瑕疵也足以毁掉成品，导致它最终破裂。
异常告诉我们，一个理论不管多优雅，最终一定会导致不一致的出现，只能做出荒谬的预测。异常还告诉我们，大自然在建造引力的量子场论时要求有另一个限制。事实上，有很多对量子理论的限制，就像S矩阵理论一样。
大多数对称理论都存在异常。例如超弦模型是十维的［如俄罗斯物理学家A.M.波利亚科夫（A.M.Polyakov）所展示的］，因为需要更高的维度来消除异常。
普林斯顿大学的爱德华·维特（Edward Witten）和路易斯·阿尔瓦雷斯·高梅（Luis Alvarez-Gaume）发现，当量子场论被用来描述重力与其他粒子相互作用时，这个理论充满了致命的异常。1984年，格林和施瓦茨观察到超弦模型具有足够的对称性，可以彻底地禁止异常。超弦的对称性曾被认为太美丽没有实际应用，现在成了消除所有无限性和异常的关键。
这一认识引发了人们对超弦理论兴趣的激增。诺贝尔奖获得者史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）听到了超弦的激动人心的消息后，立即转向研究超弦理论。“我放弃了我正在做的一切，”他回忆道，“包括我正在写的几本书，我开始学习关于弦理论我所需要的一切。”然而，学习一门全新的数学并不容易。“数学非常之难”，他承认道。
这种转变令人吃惊。几个月内，弦理论从一个漂亮但无用的古玩变成了也许是统一场论的唯一希望。异常现象并未摧毁建立量子理论的任何希望，而是复活了超弦理论。20世纪80年代早期发表的超弦文章只是涓涓细流，至1995年文章数量已增长到超过1000篇，使这一理论成为了理论物理的主导力量。
科学史上，类似的例子虽然罕见，却也真实存在——发现一个明显的“缺陷”最终变成了巨大的“财富”。例如，1928年，亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现他的葡萄球菌菌落培养皿如不小心被某些面包霉菌污染，将会遭到破坏。起初，他发现，采取保护措施以防止菌落培养被这些霉菌破坏是件令人讨厌的事情。但随后，弗莱明恍然大悟，也许杀菌的霉菌更重要。这一观察导致了青霉素的发现，弗莱明也因此在1945年获得了诺贝尔医学奖，他将这称为“意外的胜利和精明的观察”。
超弦理论就像一只从灰烬中飞起的凤凰，它重新回来了且是轰轰烈烈的，这次胜利主要归功于施瓦茨和格林意外的和精明的观察。
7 对称性：缺失的一个环节
什么是美？
对音乐家来说，美可能是和谐的交响乐，能激起巨大激情的作品。对艺术家来说，美可能是一幅绘画从自然中捕捉到的美丽的场景，或浪漫概念的象征。对于物理学家来说，美意味着对称。
在物理学中，对称性最明显的例子是晶体或宝石。水晶和宝石是美丽的，因为它们具有对称性——如果我们以一定角度将它们旋转，它们仍能保持相同的形状。
我们说，晶体旋转一定的角度是不变的，因为晶体旋转将回到自身。例如，一个立方体围绕它的任何轴旋转90度仍能保持原来的方向；球体则更对称，因为它在所有可能的旋转下都将保持不变。
同样，当将对称性应用于物理学时，我们要求进行某些“旋转”时，方程仍能保持相同。这种情况下，当将空间变成时间，或者将电子变成夸克时，旋转（实际上是洗牌）发生。如果在进行这些旋转之后，方程仍然保持相同，我们称该方程有美丽的对称性。
物理学家经常争论这样一个问题：对称性只是人类特有的美学问题，还是大自然朴实定律（大自然是否也喜欢对称）？
宇宙似乎并非对称地被创造——宇宙不完全由美丽的冰晶和宝石组成，相反，它看起来破碎得可怕。锯齿状的岩石、蜿蜒的河流、无形的云、不规则的山脊、随机的化学分子，或者已知的暴风雪般的亚原子粒子，似乎不太对称。
然而，随着杨-米尔斯和规范理论的发现，我们开始意识到，大自然在本质的层面上更喜欢对称（不只是在物理理论中），大自然需要对称。物理学家现在意识到，对称是构建没有灾难性异常和分歧的物理定律的关键。
对称性解释了为什么所有潜在的有害分歧和异常在超弦理论中完美地相互抵消，而这些分歧和异常足以扼杀其他理论。事实上，超弦模型具有如此巨大的对称性，以至于该理论可以包含所有电弱理论、GUT理论，以及爱因斯坦广义相对论所有已知的对称。还有许多宇宙中尚未被发现的很多对称性在超弦理论中找到。回想起来，很明显对称是超弦理论如此有效的原因。
物理学家现在意识到，对称是消除任何相对论性量子理论面临的潜在致命问题的必需。尽管科学家更喜欢理论具有对称性是出于纯粹的美学原因，但他们越来越认识到大自然从起始就要求对称性，这将成为接受相对论和量子力学融合的铁的标准。
这在开始阶段并不明显。曾经，物理学家相信，他们可以写下许多可能的自我一致的宇宙理论——相对论、量子力学。现在，出乎我们的意料，我们发现消除分歧和异常的条件实在太严格，以至于只允许一种理论的存在。
对称与群论
李群——对称的语言
对统一的敌意
杨-米尔斯理论
20世纪50年代，在长岛布鲁克海文国家实验室的物理学家杨振宁（Chen Ning Yang）和他的同事罗伯特·米尔斯（Robert Mills）知道还未得到应有关注的一个好的建议的一切。他们提出的展示对称和统一力量的建议，多年来一直被忽略。
杨振宁，1922年出生于中国合肥，他的父亲是一名数学教授。杨毕业于清华大学，但他并未像之前的奥本海默那样去德国朝圣。对下一代物理学家们来说，第二次世界大战后的物理学会被移民的欧洲人掌握，这意味着美国的旅行。
杨于1945年抵达美国，并很快采用绰号“弗兰克”，以他的英雄本杰明·富兰克林的名字命名。1948年，他在芝加哥大学获得博士学位。由于意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的存在，这里成为了战后物理学研究的圣地。费米在1942年第一个展示了核链式反应是可以控制的，这导致了原子弹和核电站的制造。
早在1947年，杨还是研究生时，他就致力于得出一个比麦克斯韦理论更完善和更统一的理论。事后看来，麦克斯韦的理论除了具有爱因斯坦发现的相对论的时空旋转下的不变性以外，还有另一种对称，叫做U（1）。这个对称性可以推广到SU（2）和更高版本吗？
海森堡早些时候已证明，SU（2）是在薛定谔方程中通过混合质子和中子产生的对称性。海森堡创造了一种理论，其中质子变成中子时基本方程“不变”（保持相同）。海森堡认为，质子和中子以月球上和地球上不同的角度混合时保持不变，这种对称性对质子和中子的实际放置的位置不敏感。
然而，杨问了自己一个问题：如果我们创造了一个更复杂的理论，离开月地系统，在空间任何一点进行不同角度的混合会发生什么？
在空间任何一点不同的旋转会发生什么，这一想法被纳入了杨-米尔斯理论（也叫规范理论）。当杨和他的合作者在1954年研究出这个理论的细节时，他们发现如假设有一个新的中间粒子这种局部对称性将能满足，这个中间粒子很像弱相互作用的W粒子。
物理界对他们这篇将成为本世纪最重要论文的反应是冷漠。
杨-米尔斯粒子的问题是，它具有太多对称性。它不像自然界中任何其他的已知粒子。例如，该理论预测杨-米尔斯粒子没有质量，但推测W介子（W-meson）有有限的质量。因为杨-米尔斯粒子与自然界中发现的任何粒子不匹配，这一理论在未来20年成为了科学好奇。为了使杨-米尔斯理论变得实际，物理学家必须设法打破这些对称，同时仍然保留这个理论所有好的特征。
因此，近20年来，杨-米尔斯理论备受折磨，偶尔被好奇的物理学家探索，但又遭到放弃。这个理论没有实际应用，因为：（a）它或许是不可重整的（但没人能证明这点）；（b）它只描述了无质量粒子，而W粒子（W-particle）有质量。科学的历史有许多曲折，但忽视杨-米尔斯理论的确是科学最大的失误之一。
苏格兰物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）取得了一些进展，他注意到有可能打破杨-米尔斯理论的某些对称性，从而获得具有质量的粒子。杨-米尔斯理论现在听起来很像W粒子理论，但没人相信这个理论可重整化。随着来自荷兰的24岁物理学家的工作，一切都发生了改变。
标准旋转
从GUT到弦
折纸和对称
超弦理论非常有效，因为它有两套强大的对称——共形对称和超对称。这里，我们可以用折纸来说明第一个对称。（第二个将在下章讨论。）
打破对称
如果自然是对称的，那么物理学家的工作将容易许多。统一的理论可想而知，只存在一种基本力，而不是四种力。自然界对称性遭到破坏的形式的数量是吃惊的。例如，世界不是完美的水晶或统一的，而是充满了不规则的星系，不平衡的行星轨道……大自然充满了因为对称性被破坏而被隐藏的例子。［事实上，如果对称永远不被打破，宇宙将会是个相当沉闷的地方。人类不可能存在（因为不会有原子），生命不可能存在，化学也会崩溃。因此，对称性的打破促使了宇宙的丰富多彩。］
例如，打破对称性的研究解释了水的冻结，液态水具有极强的对称性。无论怎样转动，它仍然是水。事实上，即使是控制水的方程也具有同样的对称性。然而，当我们慢慢将水冷却，随机的冰晶从各个方向形成，形成一个最终变成固体冰的混沌网络。问题的本质是：尽管原始方程具有极强的对称性，但方程的解不一定拥有这种对称性。
这些量子跃迁发生的原因是，大自然总是“偏爱”处于较低的能量状态。我们总能看到，水从山上向山下流动，它试图达到更低的能量状态。量子跃迁的发生是因为系统最初是处在错误的能量状态（有时称之为“假真空”），且更愿意跃迁到较低的能量状态。
对称恢复
在这点上，分析对称性的碎片来揭示隐藏的对称似乎是一项无望的任务。然而，有一种方法可以恢复原始对称性：加热物质。例如，通过加热冰我们能回收水的O（3）对称。同样，如果我们想恢复这4种力的隐藏的对称性，我们必须重新加热——回到大爆炸，那里的温度高到足以恢复被打破的超弦的对称性。当然，我们不能在实际上重新加热宇宙，重新创造大爆炸的条件。然而，通过对大爆炸的研究，我们能分析宇宙的对称性完好无损的那个时代。
事实上，物理学家怀疑，创世之初的温度非常高，以至于所有4种力都融合成了1种。然而，宇宙冷却，将这4种力保持在一起的对称性会被逐个瓦解。
换句话说，我们今天看到4种力的原因是宇宙是如此古老和寒冷。如果我们目睹了大爆炸，如果这个理论是正确的，我们会看到所有的物质都表现为超弦对称，如我们将在下章中解释的超对称。
然而，物理学家声称超对称是关键，超对称又是一个如此简单的理论，为什么物理学家这么多年不能理解它？
8 超对称
发现超弦，最突出的人是加州理工学院的约翰·施瓦茨。
……
今天，我们意识到，南布的弦理论解释了威尼斯诺-铃木贝塔函数的起源，它只是一个玻色子弦。内沃（也译奈芙）、施瓦茨和雷蒙在1986年通过发明伴随玻色子弦的费米子弦完成了这个理论。内沃-施瓦茨-雷蒙理论（稍加修改）成为了今天的超弦理论。
内沃、施瓦茨和雷蒙理论预言了一个新的S矩阵，其性质比威尼斯诺和铃木的老的S矩阵更好，但这些近乎奇迹属性的起源不明。每当有如此神奇的“巧合”出现，物理学家都会怀疑隐藏的对称性是其原因。
1971年，纽约市立大学的本吉·萨基塔（Bunji Sakita）和巴黎师范学院的鲁普·热尔韦（Loup Gervais）找到了这个谜题的部分答案。他们证明了内沃-施瓦茨-雷蒙理论拥有隐藏的对称性确实与此惊人的性能相关。这些开创性的发现标志着超对称的产生。［超对称同时被两位苏联物理学家戈尔凡德（Gol’fand）和E.P.利赫曼（E.P. Likhtman）提出，尽管那时他们的工作在西方不受欢迎。］
热尔韦和萨基塔发现的超对称是前所未有的最大的对称性。一种可以将玻色子物体旋转成费米子物体的对称性被创造出来。这意味着宇宙中所有玻色子粒子都有一个费米子搭档。（然而，它们的对称性还不完全，因为这只是二维对称。该理论是二维的，因为当一维弦移动时，它扫成二维的表面。）
这个新的超弦理论和一种玻色子和费米子相互交换的全新对称性的发现激起了巨大兴奋。然而，在20世纪70年代中期，这个理论颇受质疑。
最严厉的批评
如前所述，南布的玻色子弦只存在于二十六维，内沃-施瓦茨-雷蒙的弦只存在于十维，使这个模型在20世纪70年代中期消亡。施瓦茨和他的合作者迈克尔·格林似乎是唯一推广弦理论研究的人，没多少人希望在十维时空作研究。
施瓦茨确信，困难可以解决。他记得自己和理查德·费曼的一次谈话——费曼说，无论我们提出什么理论，都必须率先成为自己最严厉的批评家；施瓦茨说，毫无疑问，费曼这么说是为了劝阻自己不要在弦理论上浪费他富有成效的岁月，这或许是个死胡同。事实上，对施瓦茨而言，费曼的话起了相反的效果，“费曼并未意识到，我在弦理论的研究中非常挑剔，我未发现任何问题！”
这一理论的发展在2000年由于乔尔·谢克的意外死亡遭受了又一次挫折。加来道雄记得，自己在1970年首次见到谢克，当时的谢克刚离开普林斯顿正访问伯克利。他们一起工作并发表了第一篇关于多环介质奇异结构的论文。谢克是个不依惯例行事但温柔的人，他似乎对那时在旧金山的海特-阿什伯里和伯克利电报大道兴起的反战和反传统文化的生活方式感到自在。离开伯克利后，他以一种典型的不寻常方式回到了法国——“首先，他去了日本，他在一个佛教寺院里呆了几个星期，与僧侣一起苦行冥想。然后，他经由西伯利亚大铁路旅行至法国。正是这个时期，他患上了严重的糖尿病。因为这个，以及一些其他个人问题，他甚至在1980年尝试自杀。”
超引力的崛起
普林斯顿弦乐四重奏
超数
时间之初的超对称
安泰俄斯
回应批评者
正如朱利安·施温格在评论GUT理论时曾说过的，“统一是科学的最终目标，这是真理。不过，现在就能统一似乎太主观了。因为我们还未能掌握足够的能量。”
尽管这是施温格对GUT理论提出的批评，但它同样适用于超弦理论。虽然这个理论提供了唯一的希望，提供了一个全面的框架描述宇宙规律，但一些超弦的批评家指出，也许超导超级对撞机也不能达到足以在1020亿电子伏特的普朗克尺度上全面测试物理的结果。
然而，施瓦茨并不畏惧。“如果它是正确的，它将成为各种尺度的物理学理论。我们需要发展我们的数学工具以摆脱低能状态。”
换句话说，问题不在于我们不能建造大型机器，而是我们对十维宇宙如何变成四维宇宙的数学理解还很原始。我们的下一步是，通过研究所有实验中最大的“实验室”以研究超对称，这个实验室就是在时间开始时的宇宙。
第三部分 超出四维
9 大爆炸之前
每个社会都有关于时间起源的神话。这些神话中，许多都提到了宇宙的炽热起源——那时，众神在天堂为新创造的地球的命运而战。古代挪威涉及宇宙起源和死亡的神话充满了巨人、神和巨魔之间的巨大战斗，导致了史诗《仙境传说》的诞生，描述众神本身的死亡。
今天，科学家们第一次能做出关于创世的合理陈述——基于物理而不是神话。宇宙学（研究宇宙的起源和结构）最令人兴奋的是量子力学和相对论的相互作用，开启了令人惊讶的爱因斯坦做梦也没想到的新局面。
也许，超弦理论最惊人的结论是，它可以在实际上解释宇宙大爆炸之前，在时间开始时发生了什么。事实上，超弦理论认为，大爆炸是更多的猛烈爆炸的副产品，将一个十维宇宙分解成了四维宇宙。
宇宙大爆炸
宇宙大爆炸
GUT早期宇宙
大爆炸的回声
黑洞
斯蒂芬·霍金——量子宇宙学家
平坦度之谜
在爱因斯坦方程的旧框架中，有两个主要的问题一直没有令人满意的解。幸运的是，量子力学的应用为这两个问题提供了一个可接受的解。
我们瞭望天空，宇宙最令人困惑的特征之一是，看起来太平坦。这很不寻常，因为根据爱因斯坦的方程，我们预计宇宙会有一些可测量的曲率，或正或负。
其二，不管我们从任何角度看宇宙，它都有同样均匀的星系密度。事实上，如果我们看一个星系，一个10亿光年星系在一个方向，另一个10亿光年星系在另一个方向，它们看起来几乎一样。这非常奇怪——没有任何速度可超越光速，两个如此远的星系的密度为何保持为相同的密度，即便光速也不能在如此短的时间跨越如此大的距离。
这两个谜题的答案是由麻省理工学院的阿兰·古斯（Alan Guth）提供，由宾夕法尼亚大学的保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）和莫斯科的俄罗斯物理学家A.林德（A.Linde）改进的。根据他们的计算，当宇宙年龄在10-35—10-33秒之间时，它经历了指数级扩张，其半径增加了惊人的1050倍。这一“膨胀”发生在大爆炸之前，甚至比标准的大爆炸阶段还快。
我们的宇宙经历了如此巨大的膨胀解释了这两个谜题。首先，我们的宇宙似乎是平坦的，因为宇宙在极短的时间就能增大1050倍。想象气球被吹大的类比——如果气球比以前大了几万亿倍，它的表面一定会非常平坦。
膨胀的情景也解释了宇宙的均匀性。因为，在接近膨胀期开始时，整个宇宙的可见部分只是宇宙表面的一个小斑点，这个小斑点可能是混合均匀的。膨胀只是将这个均匀的斑点吹成了我们现在可见的宇宙。那个微小的斑点现在包括了我们的地球和银河系，以及我们望远镜能看到的最远的星系。
我们的宇宙不稳定吗？
这场灾难将如何发生？
大爆炸之前
确实，根据超弦理论，我们的宇宙可能是不稳定的，可能给我们带来灾难。先忽略这个小概率灾难，超弦理论给我们带了一个优点——它回答了大爆炸之前发生了什么。
正如我们之前提到的，根据超弦理论，宇宙始于十维。也许，十维宇宙处于“假真空状态”，它是不稳定的。那么，十维宇宙量子跃迁至一个低能状态只是时间问题。
我们现在相信，宇宙最初的膨胀起源于一个更大、更具爆炸性的过程：十维时空的结构的破裂。就像大坝决口那样，十维时空结构的破裂迅速重新形成了两个独立的低能宇宙——四维宇宙（我们自己的）和一个六维宇宙。
这次爆炸的猛烈可容易地产生足够的能量推动膨胀的进程。标准的大爆炸将在稍后出现，这时膨胀过程会慢下来，向传统的膨胀宇宙过渡。
四维宇宙以牺牲六维宇宙为代价而膨胀，六维宇宙缩小至普朗克长度。这解释了我们的宇宙为何看上去是四维的——其他六个维度尽管无处不在，但它实在太小而不可视。
尽管我们还不能在实验上证实这种描述，迅速发展的宇宙学领域仍然不断给出了关于物质本质的诱人线索。一些物理学家认为，我们关于宇宙的许多问题的答案可能隐藏于被称为“暗物质”的物质中，它也许是宇宙中最神秘的物质形式。
10 暗物质的神秘
随着超导超级对撞机项目的取消，一些评论家公开推测，物理学“行将结束”。像超弦理论这样有前途的想法，无论多么引人注目和优雅，永不会被测试，也永不会被验证。一些物理学家持乐观态度——如果超弦理论的证据在地球上找不到，离开地球进入外层空间或许是一个解决办法。未来，物理学家将越来越依赖宇宙学来探索物质和能量内部的秘密。他们的实验室将是宇宙和大爆炸本身。
宇宙学已给了我们几个谜团，或许是破解物质终极性质的线索——其一，暗物质，占宇宙的90％；其二，宇宙弦，我们将在11章讨论。
世界是由什么构成的？
一个星系有多重？
一个女人的挑战
女性科学家很难被男性同龄人接受。事实上，鲁宾博士职业生涯的每一步历程都危险地接近于被男性的敌意破坏。20世纪30年代，她开始对星星感兴趣，10岁的孩子凝视华盛顿哥伦比亚特区的夜空可持续几个小时，甚至绘制流星轨迹的详细地图。
她的父亲是电气工程师，鼓励她追求对星星的兴趣。父亲在女儿14岁时为她制作了第一个望远镜，带她去参加华盛顿业余天文学会议。然而，在家庭内部感到的温暖和鼓励与外部世界受到的冷淡接待形成了鲜明对比。
当她向斯沃斯莫尔学院申请时，招生官员试图将她从天文学引向更“淑女”的画天文题材的专业，这成了她家里的一个标准笑话。她回忆，“只要我工作中出了问题，一定会有人说，‘你可否考虑过画画的职业？’……”
当被瓦萨大学录取时，她在走廊上自豪地将此消息告诉了自己的高中物理老师。老师直言不讳地回答，“远离科学，你会做得很好。”（多年后，她回忆，“听到这样的话，需要有多大的自尊才不会泄气。”）
瓦萨大学毕业后，她于2006年申请了在天文学上享有世界声誉的普林斯顿研究生院。然而，她甚至连学校的大学课程目录也未收到。普林斯顿在1971年之前不接受天文学的女研究生。
此后，她被哈佛录取了，但她拒绝了。因为她刚和物理化学家罗伯特·鲁宾结婚，追随他一起去了康奈尔大学，那里的天文系只有两名教员。（她拒绝后，得到了一封哈佛的正式回信，信的底部是手写的潦草的字，“该死的女人！每次，我准备好了，她走了，结婚了！”）
事后再看，前往康奈尔大学非常正确，因为鲁宾参加了1997年两位诺贝尔奖获得者汉斯·贝特（Hans Bethe）和理查德·费曼（Richard Feynman）的物理学研究生课程。汉斯·贝特破译了复杂的激发恒星能量的聚变反应；理查德·费曼重整化了量子电动力学。她的硕士论文直面了男性主宰的世界的敌意。她的论文表明，遥远的星系偏离了宇宙大爆炸模型中的星系的简单的均匀膨胀模式。对当时的人来说，这难以令人信服，论文出版遭到拒绝。（几十年后，她的论文被认为是预言。）
从康奈尔大学获得硕士学位后，鲁宾发现自己是个不快乐的家庭主妇。“每次收到《地球物理杂志》我都会哭……在我受过的教育中，没有家务这一项。在康奈尔大学，我的丈夫做科研，我却只能在家里换尿布。”
尽管如此，鲁宾还是努力追寻自己童年的梦想，尤其是丈夫在华盛顿找到工作之后。她通过夜校在乔治敦大学获得博士学位。1954年，她发表了博士论文，那是一项里程碑式的研究。它表明，天空中星系的分布绝非以前人们的认为——它是不平滑和不均匀的，实际上是块状的。
不幸的是，她超前了她的时代。她获得了古怪的名声，反对主流的天文学思想。她的想法需要多年时间才能得到认可。
鲁宾为自己工作引起的争议感到苦恼，决定休息一下，研究天文学中一个最平凡的领域——星系的旋转。鲁宾开始研究距离我们最近的太空邻居——仙女座星系。她和她的同事期望发现仙女座星系外缘旋转的气体比中心附近的气体速度更慢，像太阳系那样，远离核心时气体的速度应该减慢。
令他们惊讶的是，他们发现，气体的速度为常数——无论是中心附近还是边缘附近。起初，他们认为这种奇特的结果是仙女座星系独有的。然后，他们系统地分析了几百个星系（自1978年以来，研究了200个星系）并发现了同样奇怪的结果。兹维基是对的。
他们的观察结果的重要性是无法估量的，一个又一个星系显示出了相同的平坦曲线。自兹维基时代以来，天文学在技术上变得更精密，一些其他实验室也能更快地验证鲁宾的结果。旋转星系旋转速度的恒定性，现在成为了银河物理学的普遍事实，暗物质藏在这里。
由于她的开拓性努力，薇拉·鲁宾在1981年被选入久负盛名的国家科学院。（自1863年成立以来，3508名科学家中只有75名女性被选入。）
今天，鲁宾仍为女性科学家的地位痛心。她的女儿拥有宇宙射线物理学博士学位，女儿去日本参加一个国际会议时发现自己是参会的唯一女性。“很久以来，每当我讲自己的故事时，都禁不住流泪，”鲁宾回忆道，“在她和我这代人之间，几乎没有改变。”
毫不奇怪，鲁宾对激发年轻女孩追求科学研究非常关注。她甚至撰写了一本儿童书籍，题为《我的祖母是天文学家》。
弯曲星光
自鲁宾的原始论文以来，对宇宙进行的更精细的分析显示了暗物质光轮的存在，甚至可能是银河系本身大小的6倍。1986年，普林斯顿大学的博丹·帕钦斯基（Bodhan Paczynski）意识到，“来自遥远恒星的光经过暗物质团附近，暗物质也许会弯曲星光，起到放大镜的作用，使星星看起来更加明亮。”鉴于此，通过观测，突然变亮的暗淡恒星或能检测暗物质的存在。1994年，两个小组独立报告，拍摄到了这种星星的变亮现象。此后，其他天文学家团队加入进来，希望能找到更多恒星变亮的例子。
星光被遥远星系弯曲可以用作计算星系重量的另一种方法。贝尔实验室的托尼·泰森（Anthony Tyson）和他的同事们分析了从可见宇宙边缘发出的暗淡的蓝色星系发出的光线。这个星系团像引力透镜那样弯曲从其他星系发出的光。遥远星系的照片证实弯曲比人们预期的更大，这意味着它们的重量远超人们的预期。这些星系的质量有90％是暗物质，如同人们的预测。
冷热暗物质
宇宙将如何死亡？
最后，暗物质可能对理解宇宙的终极命运具有决定性作用。有关膨胀宇宙的命运一直持有争议——一些人认为，有足够的物质和重力逆转它的膨胀；一些人认为，宇宙密度太低，星系会继续膨胀，直至宇宙周围的温度接近绝对零度。
目前，试图计算宇宙的平均密度表明，后者是正确的——宇宙将永远膨胀，死于哀鸣或严寒。然而，这一理论面临实验的挑战。具体来说，很可能存在足够的丢失的物质增加宇宙的平均密度。
为了决定宇宙的命运，宇宙学家使用名为“欧米茄（ω）”的参数测量宇宙的物质密度。
如果ω大于1，宇宙将有足够的物质逆转宇宙膨胀，宇宙将开始收缩，直至到达大挤压。
如果ω小于1，宇宙的重力太弱，无法改变宇宙的膨胀，宇宙将永远膨胀，直至接近绝对零度，达到宇宙严寒。
如果ω等于1，宇宙在这两种情况之间平衡，宇宙会显得非常平坦，没有任何弯曲。（为了使ω等于1，宇宙的密度必须为每立方米大约3个氢原子。）目前的天文数据偏向于ω的值为0.1。
大爆炸理论的主要修正是膨胀宇宙，该修正精确地预测ω值为1。然而，有史以来，天上可见的星星只给了我们1％的临界密度。这被称为“缺失质量”问题，灰尘、棕矮星和不发光的恒星或许会少许增加这个数字，但不会增加太多（不同于暗物质问题，它是纯粹基于银河系考虑的）。例如，核合成的结果表明，这种形式的不发光物质的密度值不能超过临界密度的15％。
即使我们加上星系周围的暗物质晕，也只会给我们带来10％的临界值。所以，光环中的暗物质本身并不能解决质量缺失的问题。
除了仍未解决的暗物质问题，还有一个同样令人费解的宇宙之谜——星系如何聚集成巨大的星系团。这个问题的解决办法或许要涉及另一种弦理论——“宇宙弦”。
11 宇宙弦
当然，超弦被认为是极微小的振动物体，太小而不能被看见或不能被我们弱小的仪器探测到。一些物理学家推测，在大爆炸后不久，可能会有巨大的宇宙弦漂浮于太空，甚至比星系本身还大。（这些宇宙弦的灵感来自超弦，使用了许多相同的方程式，尽管它们是物理上不同的物体。）
根据这个理论，在这些古老的蠕动的宇宙弦之后留下的振动才是我们在天上看到的星系团，包括我们自己的。也许你会认为，横跨数十亿光年空间的美妙宇宙弦的猜测太幻想化。然而，宇宙弦非常实用，它们或许能解释宇宙学中最棘手的谜题之一——宇宙的“结块”。如能经过验证，我们的太阳系或许也得归功于这些宇宙弦。
（宇宙弦在电影《星际迷航：世代》中占据了显著位置。电影情节围绕一个巨大的在银河系漫游的宇宙弦展开——宇宙弦巨大的能量场毁灭了联邦星舰，制造了星际浩劫，甚至在时间扭曲中捕获了詹姆斯·柯克船长和让·卢克·皮卡德船长。任何一次在宇宙弦表面着陆都是瞬间进入一个天堂般的梦想世界，那里所有的愿望都将得到实现。）
为什么宇宙如此拥挤
上帝的脸
暗物质和宇宙的团块
拓扑缺陷
我们对宇宙弦的理解来自我们对普通相变的理解，从晶体的形成到铁磁化过程。例如，固态物理学家意识到相变（例如熔化、冷冻、沸腾）不是平滑、均匀地转变，而是突发事件——从物质原子结构中形成微观“缺陷”开始，然后迅速生长。
当相变即将发生时，这些微小的缺陷会像原子晶格阵列中的断层线一样出现，具有明确的物理形状，如线条和墙壁等形状。拍摄的水即将结冰时的微观照片表明——当细小的线状缺陷和壁状缺陷出现时，缺陷成为“种子”，围绕“种子”生成微小的冰晶。
同样地，在铁被放入磁场中的显微照片里，人们可以看到原子间开始形成微小的“墙”。在由这些墙分隔的每个“域”中，铁原子分别指向某个方向。随着磁场的增加，墙壁融合，所有原子将指向同一个磁场方向。
粒子物理学家认为，当大爆炸开始冷却时，早期宇宙确有类似的缺陷发生。当早期亚原子粒子开始冷却时，它们可能已有类似凝结缺陷，包括弦、墙以及更复杂的被称为“纹理”的结构。
这些古老的宇宙弦类似于普通的磁铁畸形。磁场通常不能穿透超导材料（其电阻为零，并被冷却到接近绝对零度）。然而，磁场却能穿透某些类型的超导体，并形成凝聚磁场的弦。因此，磁场不是无孔不入的，而是集中在穿透超导体的细弦上。
类似地，宇宙弦可以比作早期宇宙的凝聚亚原子场。它们没有端点，它们不是封闭或无限长的。根据这个场景，这个一维断层线在宇宙大爆炸开始后不久就开始冷却并凝结成一张缠结的弦的网遍布整个宇宙。
这些弦有巨大的张力，所以它们会剧烈振动和摆动，通常与其他弦相交。人们认为，宇宙弦跨度为几十万光年，因此形成了星系生长的种子。然而，宇宙弦增长的计算机模拟似乎排除了这种可能性。
20世纪80年代，有人提出宇宙弦通过它们的剧烈运动产生“重力波”的尾流，就像摩托艇穿过湖面时产生的波浪的波峰。这些重力墙稍后会凝结成片状物质，类似于今天发现的星系墙。假设原始宇宙有磁场，那么，这些宇宙弦或许会产生巨大的电场，变成超导体本身。由于这些超导宇宙弦在早期的宇宙中大概率为四处游荡，它们极可能是在推动物质而非吸引物质。无论推动还是吸引，都能解释物质分布的不规则。
这些难题可能会在下一代的实验和观察中得到解决。以前的宇宙地图曾经一次记录了数万个星系的精确位置和速度。芝加哥大学的唐纳德·约克（Donald G.York）正领导几所大学的集体努力试图收集最大的星系登记册，多达100万个星系，始于1995年。自动化和数字化光学仪器的进展使这一之前难以想象的壮举成为可能。这样一个银河地图集对确定是否存在这些异常或能带来帮助。
也许，最重要的一组实验将涉及精练COBE卫星数据。COBE卫星的限制之一是，只能分析最低7弧度的温度变化。
不幸的是，气球实验持续的时间不足以进行可靠的测量，地面传感器会受大气波动的影响。最终，未来的宇宙学实验在另一颗类似COBE的卫星上进行，它能探测0.5弧度内的温度变化。
暗物质、宇宙弦和银河聚集是一些在未来几年将继续引起宇宙学家兴趣和困惑的问题。因为这些概念可以被测量或者测试，我们希望在10年内解决其中许多实验性问题。随着超导超级对撞机的取消，我们将越来越依靠不断膨胀的宇宙信息以探索标准模型的极限和超越这个极限。希望我们可能瞥见，超弦理论和高维时空最迷人的一面。为了更好地理解宇宙的诞生，我们将着力研究十维的时间和空间。
12 通往另一个维度的旅程
回溯1919年，当爱因斯坦仍全神贯注于计算他的新广义相对论的结果时，他收到了一封柯尼斯堡大学（今俄罗斯加里宁格勒市）的不知名的数学家西奥多·弗朗兹·卡鲁扎（Theodor Franz Kaluza）的来信。
信中，卡鲁扎提出了一个新的写出统一场论的方法，将爱因斯坦的新引力理论和麦克斯韦的更古老的光理论结合起来。卡鲁扎提出了一个五维引力理论，代替用三维空间和一维时间描述的理论。有了五个维度，卡鲁扎有足够的空间将电磁力放入爱因斯坦的引力理论。卡鲁扎似乎突然为爱因斯坦正努力的问题提供了一条基本线索。卡鲁扎没有任何证明世界应该是五维的实验证据，但他的理论如此优雅以至于看起来颇有道理。
五维的想法对爱因斯坦来说太怪异，他重点关注了这篇文章，出版推迟了2年。直觉告诉爱因斯坦，这个理论的数学太美丽，它很可能是正确的。1921年，爱因斯坦最终同意普鲁士学院发表卡鲁扎的论文。
1919年4月，爱因斯坦写信给卡鲁扎，“通过五维圆柱体世界实现‘统一场论’的想法我从未明白。乍一看，我非常喜欢你的想法。”几周后，爱因斯坦又写道，“你的理论的统一，令人吃惊。”
然而，大多数物理学家用怀疑的眼光看待卡鲁扎理论。爱因斯坦的四维已足够令他们费解，更别说卡鲁扎的五维了。此外，卡鲁扎的理论提出的问题甚至多于它能回答的问题。如果光与重力的统一需要五个维度且我们的实验室只需四个维度就能测量，第五个维度在哪儿？有何意义？
对一些物理学家来说，这个新理论似乎是一个缺乏物理内容的室内把戏。然而，像爱因斯坦这样的物理学家意识到，这个发现是如此简单且优雅，它很可能是一流的。需要解决的问题是——这意味着什么？
认为世界是五维的，的确很荒谬。例如，打开一瓶装满气体的瓶子并放入一个密封的房间，气体分子通过随机碰撞迟早会扩散至所有可能的空间维度。然而，很明显，这些气体分子只填满了三个维度。
那么，第五维度去了哪儿？爱因斯坦认为，卡鲁扎的诡计太好了，不能仅因为它违背了我们对已知宇宙的直觉而抛弃。再次，仅因为美丽，即便缺乏实验验证也足以让爱因斯坦认真考虑某个理论。最后，在1926年，瑞典数学家奥斯卡·克莱因发现了这个问题可能的解。
卡鲁扎早些时候曾暗示，第五维度完全不同于其他四维，因为它是“卷曲的”，像一个圆圈。克莱因说，这个圆的尺寸太小，它不能被直接观察到，故而宇宙看上去是四维的。
换句话说，房间里释放的气体分子确实能找出所有可能的空间维度，但气体分子太大，无法融入圆形（卷曲的）的第五维度。作为一个结果，气体分子只能融入四维空间。
克莱因甚至计算了第五维度的可能的大小：普朗克长度，即10-33厘米。
克莱因提出了对第五维度在哪儿的问题的卓越的解决方案，但也提出了更多新的问题——例如，为什么第五个维度能裹成一个小圆圈，而其他的维度却能延伸至无限远？
爱因斯坦将在接下来的30年里努力弄明白卡鲁扎-克莱因理论的意义。如前所述，作为统一场论的候选项，他无法解决这个令人困惑的问题。
爱因斯坦在他的后半辈子主要工作于两个方面——第一，他自己的电磁学的几何理论，将光的力量描述为空间-时间结构的简单变形——这条路引出了更复杂的数学，最终是一条死胡同。第二，卡鲁扎-克莱因理论，这幅画很美丽但作为宇宙的模型似乎毫无用处。如果有人能解释第五维度为什么是卷曲的，这个理论将非常有希望。爱因斯坦不时地研究卡鲁扎-克莱因理论，但未取得任何进展。
解决办法：量子弦
在接下来的50年，大多数物理学家都放弃了卡鲁扎-克莱恩的想法，认为它们是纯数学奇异本质的奇怪脚注。这个理论几乎被遗忘，直至20世纪70年代，谢克（Scherk）想知道卡鲁扎-克莱恩将维度卷起的把戏是否可以解决他自己的问题。他和他的同事E.克雷默（E.Cremmer）提出，将此做为从二十六或十维下降至四维的解决方案。
然而，超弦物理学家在解决这个问题时将具有一个非常大的优势——他们可以利用最近几十年来建立的量子力学的全部力量以解决为什么更高维度会卷曲的问题。
以前，我们了解到，量子力学使对称破坏现象成为可能，大自然总是喜欢最低能量状态。尽管我们最初的宇宙或许是对称的，但它有可能处于高能状态，故而会向低能态“量子跃迁”。同理，我们可以相信，最初的十维弦是不稳定的，它可能并非处于最低能量状态。
今天，理论物理学家正在努力证明——超弦模型预测的最低能量状态是六维宇宙已经卷曲，留下了我们的完整的四维宇宙空间。目前的观点是，原始的十维宇宙实际上是一个虚假的真空（假真空状态）——它不是能量最低的状态。
虽然没人能证明，不稳定的十维宇宙量子跃迁到了四维，但物理学家乐观地认为这个理论有极大可能为真，它有丰富的允许其存在的可能。因此，对于试图决胜当代物理学的年轻物理学家来说，解决超弦理论的最重要问题——证明十维宇宙实现了量子跃迁，出现了我们已知的四维宇宙。
方先生
在科幻小说中，更高维度的旅行就像进入了一个奇怪的但类似地球的世界。这些小说中的人是类似于我们的人，但有些扭曲。这种常见的误解是因为科幻作家的想象力实在有限，无法掌握严谨的数学提供给高维空间的真正特征。事实上，科学比科幻小说更奇怪。
理解高维宇宙，最简单的方法是研究低维宇宙。第一个以通俗小说形式从事这项工作的作家是埃德温·阿·艾伯特（Edwin A.Abbott），一位莎士比亚学者，1884年写了维多利亚时代的讽刺小说《平地世界》，描述了生活在两个空间维度（二维）的人们的奇怪习惯。
想象一下，平地上的人们生活在一个桌面上。这个故事由自负的方先生讲述，他告诉了我们一个几何人生活的世界——“在这个世界，女人是直线，工人和士兵是三角形，职业男人和绅士（像他一样）是正方形，贵族是五边形、六边形或多边形。一个人的边数越多，社会地位就越高。一些高级贵族的边数会非常多，以至于他们最终会变成圆，达到最高级别。”
方先生是一个社会地位很高的人，他乐于居住在这个秩序井然的异常宁静的社会里。直到一天，来自太空世界（三维世界）的生物出现在他面前，向他介绍了另一个维度的奇迹。
当太空人看到平地人时，他们能看到平地人的体内并观察他们的内脏。这意味着，在原则上，太空人可以对平地人做手术而不用割破他们的皮肤。
当高维生物进入低维宇宙时，会发生什么？当神秘的太空之主（球体）进入平地世界时，方先生只能看到尺寸不断增加的圆圈穿过他的宇宙。显然，方先生以自己的角度无法完全想象球体的全貌，只能猜测球体身体的横截面。
球体邀请方先生参观太空乐园。这是一段痛苦的旅程，在这段旅程中，方先生从自己习惯的平地世界被剥离，被安置在第三维空间中。
我们可以想象这个过程，当方先生在三维空间移动时，他的眼睛只能看到三维空间的二维横截面。当方先生遇到立方体时，他会认为自己遇上了一个奇妙的东西——在一个正方形中出现了另一个正方形，且不断改变形状。
方先生被他与太空登陆者的相遇震惊，他决定告诉平地世界的同胞自己的这段非凡经历。他的故事被当局认为具有煽动性，可能会扰乱平地世界秩序井然的社会，他被逮捕至法院。审判中，他试图解释第三维，但未能成功。他试图向多边形先生和圆形先生解释三维球体、立方体和太空世界。
方先生被判终身监禁（由围绕他画的一条线组成），并像烈士一样度过此生。（讽刺的是，方先生所要做的是“跳出”监狱进入第三维空间，但这超出了他的理解。）
神学家兼伦敦金融城校长艾伯特先生写《平地世界》是对维多利亚时代他所看到的伪君子的政治讽刺。然而，在他完成《平地世界》100年后，超弦理论要求物理学家认真思考高维宇宙的模样。
首先，一个俯视我们宇宙的十维生物可以看到我们所有的内脏，甚至可以不用割破我们的皮肤做手术。显然，对我们来说，这很荒谬。但这极可能是由于我们对高维思考想象力有限，就像《平地世界》多边形先生们的想法。
第二，如果这些十维生物进入我们的宇宙，将手指伸进我们的房子，我们只能看到一个肉球在半空中盘旋。
第三，如果这些十维生物抓住了一个监狱里的人，并将他放在了其他地方。以我们的视角，我们会认为监狱里的人突然神秘消失，而后魔法式地重现于另一处地方。
在许多科幻小说中，最受欢迎的设备是“传送器”，它允许人们在一眨眼的工夫被送至很远的地方。或许存在一个更复杂的传送器，可以让某人跃入更高维度并在其他地方重新出现。
可视化更高维度
进入高维空间的旅程
时空的曲率
什么是空间扭曲？
空间扭曲是由于物质和能量的存在造成的时空结构的扭曲。正如我们在第2章看到的，爱因斯坦将时空扭曲解释为重力的起源。想象空间扭曲的效果，回想哥伦布时代，大多数人认为世界是平的。对环顾四周的人来说，世界肯定是平的——因为他们的观察半径与地球半径相比，实在太小。
同样，今天，我们假设周围的宇宙是平的，或许只是因为我们可见宇宙与实际宇宙相比，实在太小。
想象下面这个例子：一只虫子在球体的表面爬行，它会认为球体是平的，这与哥伦布同时代的人认为世界是平的完全一样。然而，事实上，这只虫子能绕球面旅行一周后回到原来的起点。这样，我们看到一个球体在二维是无限的和无边的，但在三维是有限的。
我们的宇宙处在这个自大爆炸以来一直扩张的超空间的表层。就像被吹大的气球上的斑点，星系不断地彼此远离。（显然，问大爆炸发生在哪儿是徒劳的——气球最初的膨胀显然不会发生在气球表面的任何地方。类似地，大爆炸的发生也不会是四维时空的任何地方。我们需要五个维度以解释大爆炸发生在何处。）
例如，在几何学中，我们知道，三角形内角和为180度。事实上，这仅适用于平面几何。如果三角形位于球体的表面，内角和大于180度（我们说球体有正曲率）；如果三角形位于马鞍的内表面，内角和小于180度（我们说这些表面有负曲率）。
非欧几里得几何
最远的星星在哪儿？
黑洞
13 回到未来
在刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝镜中奇遇》中，爱丽丝穿过镜子进入了另一个宇宙。在另一个宇宙中，一切似乎都很熟悉，除了有一些扭曲。在仙境中（另一个宇宙），逻辑和常识颠倒了。
卡罗尔的真名是查尔斯·勒特威奇·道奇森（Charles Lutwidge Dodgson）。他是数学家，在牛津任教并在数学逻辑领域做出了贡献。（维多利亚女王被他写给孩子们的书迷住了，女王坚持要他赠送自己的下一本新书。他欣然照办，将自己的关于抽象数学的新书寄给了女王。）
他最初写“爱丽丝梦游仙境”系列是为了用扭曲的逻辑逗孩子们开心。实际上，卡罗尔告诉了孩子们，有着与我们完全不同规则的其他世界有存在的可能性。
然而，从现代物理学的角度来看，可以这样描述该问题——关于和我们相似的平行宇宙的可能性，在科学上的看法？反物质宇宙，镜子宇宙？时间颠倒的宇宙？令人惊讶的是，GUT理论和超弦理论讲述了许多关于这些不同类型宇宙的可能性。
首位打开另一宇宙大门的科学家是保罗·狄拉克（Paul Dirac），量子力学的创始人之一，他偶然地发现了反物质理论。
反物质
时光倒流
20世纪40年代初，费曼还在普林斯顿大学读研究生时，他引入了另一种对反物质性质的解释。在量子电动力学中，费曼注意到，反物质在时间上向前推进与普通物质时光倒流没有区别。
这一发现允许了对反物质的一种全新的（同等的）解释。例如，我们推动一个有电场的电子向左移动，如果这个电子时光倒流，它会向右移动。然而，电子向右移动，对我们来说就像电子带正电而非负电。因此，一个电子时光倒流与反物质在时间上前进并无区别。换句话说，卡尔·安德森（Carl Anderson）在他的宇宙射线实验拍摄的好像带正电荷的电子，实际上在时间上是在倒退。
粒子在时间上向后移动给出了费曼图的一种新的解释。假设我们用一个电子和一个反电子碰撞，释放出一股能量。如果我们逆转反电子上的箭头，让它在时间上回到过去，我们将能重新解释这个图表。在新的解释中，一个电子在时间上向前推移，释放出能量光子，相同的电子时光倒流。
费曼事实上证明了量子电动力学的所有方程是一样的，无论是描述反物质在时间上前进或者是普通物质时光倒流。这种奇怪的状态使普林斯顿大学的约翰·惠勒（John Wheeler）提出的古怪理论成为可能——整个宇宙只由一个电子构成。
有一天，费曼还是普林斯顿的学生时，他的导师惠勒兴奋地声称，他终于知道了为什么宇宙中所有的电子看起来都很像。（每个学化学的学生都知道，所有电子是一样的——没有胖电子、绿色电子、长电子。）
想象以下创世的行动。假设从大爆炸的混乱和火焰中只带来了一个电子。这个电子在时间上向前推进数十亿年，直至它到达了另一个灾难性事件——时间的终结或世界末日。
这种令人震惊的经历反过来逆转了电子的方向，让时光倒流。当同样的电子回到大爆炸时，它的方向再次颠倒。这个电子并未分裂为许多电子，正是同一个电子在大爆炸和世界末日之间像乒乓球一样来回曲折。
现在，坐在宇宙大爆炸和世界末日之间的20世纪的任何人都能注意到大量的电子和反电子。事实上，我们可以假设电子来回往返了足够多的次数，以产生了宇宙中的电子总数。（当然，一个物体在空间往返多次，不能产生一个以上的自身的副本。然而，一个在时间上来回移动的物体却可以有自身的副本。例如，电影《回到未来》的结尾——“当英雄及时回到现在，看到自己曾离开的时间机器时，场景中出现了这个英雄的两个影像。”原则上，这种在时间上往返的效果可以重复任意次数，产生无限数量的副本。）
如果这个理论为真，它意味着我们体内的电子是同一个电子。唯一的区别是，我的电子或许比你的电子早几十亿年。如果这个理论为真，还有助于解释化学的基本原理——所有的电子都是一样的。这一理论的现代版本是——单弦宇宙。
惠勒的单电子宇宙能解释宇宙中所有物质的存在吗？物质能时光倒流变成反物质吗？这些问题的答案是“是的”，但没有实验能验证。根据量子电动力学的说法，物质时光倒流和反物质在时间上向前推进无法区分。因此，没有可用的信息可以在时间上向回发送，这就消除了时间旅行的可能。如果我们看到反物质漂浮在外层空间，或许是从未来向我们靠近，但我们不能用它向过去发送信号。
镜像宇宙
CP违例
直到20世纪60年代，人们一直认为，虽然宇称守恒被推翻了，但或许仍有一些希望。由反物质组成的宇宙和左右手颠倒仍具有可能性，人们相信宇宙的方程式可以CP反转（C代表“电荷共轭”，将物质转变为反物质，P代表“奇偶性反转”，左和右互换）。
因此，如果我们不能事先知道外星人是由物质还是反物质组成的，仍不能通过无线电向外星人传达左和右的概念，对称似乎被还原到宇宙中。
1964年，布鲁克海文国家实验室的瓦尔·惠誉（Val L.Fitch）和詹姆斯·W.克罗宁（James W.Cronin）提出，甚至在研究某些介子的衰变时，CP被违背了。这意味着，如果我们颠倒物质和反物质以及左和右，宇宙的方程式会不一样（发生改变）。
起初，CP违例的消息令人失望，它意味着宇宙不如人们以前期望的对称。尽管这并未否定任何特别重要的理论，但这意味着大自然创造了一个比物理学家怀疑的更加困惑的宇宙。今天，GUT理论为我们做出了解释，CP违例在实际上也许是件好事。
宇宙起源的理论一直存在一个疑问，为什么我们在宇宙中看不到等量的物质和反物质。虽然天空中的物质和反物质难以区分，但天文学家认为，可见宇宙中的反物质可以忽略不计。
物质和反物质之间不平衡的原因是什么？为什么主宰宇宙的是物质，而不是反物质？
几十年来，有人提出了一个完全基于推测的机制——也许宇宙中的物质和反物质可以被某种看不见的力隔开。
然而，最简单的理论来自统一场论。在GUT和超弦理论中，CP是违背的。在时间开始之初，由于CP违背的结果，物质和反物质出现了轻微的不平衡，物质略多于反物质（大约多十亿分之一）。宇宙中的物质和反物质在大爆炸时彼此抵消，产生辐射，但多出来的十亿分之一的物质被留了下来。这种过剩物质构成了我们的物理宇宙。
换句话说，我们体内的物质就像化石，是物质和反物质在大爆炸的最初湮灭中遗留下来的产物。物质存在的根本原因是因为统一场论纳入了CP违例。没有CP违例，就没有宇宙。
时间旅行？
迄今为止，我们只讨论了看似良好的宇宙，与实验数据一致。实验室，我们一次又一次地测量了P违例和CP违例，并用来解释早期宇宙的某些特征。
事实上，广义相对论也允许一些很难解释的宇宙存在。其中，有些宇宙似乎允许时间旅行。
在爱因斯坦活着的时候，他的方程的每一个解在解释或预测宇宙学方面都取得了辉煌成功。例如，史瓦西解给了我们黑洞的当前描述；诺德斯特龙-莱斯纳解给了我们带电黑洞的描述；罗伯逊-沃克解给了我们大爆炸的描述。
然而，这个理论的一个解提出了一个关于时间本质的基本问题。例如，1949年普林斯顿大学数学家库尔特·哥德尔（Kurt Godel）发现了一个奇怪的爱因斯坦解，它“不受因果律支配”。（对物理学家来说，一个不受因果律支配的宇宙仿佛一个在时间上无限循环的宇宙重复地以电影的形式在自己眼前播放。）
爱因斯坦本人承认了哥德尔理论的令人不安的含义。1949年2月，爱因斯坦写道，“哥德尔的工作令人困惑，他提出了我无法完全回答的问题。”他继续写道，“哥德尔的解决方案在我看来，构成了一个对广义相对论的重要贡献，尤其是他对时间概念的分析。这个问题在我建立广义相对论时就一直困扰着我，我一直未能成功地澄清它。”
20世纪60年代中期，匹兹堡大学物理学家E.T.纽曼（E.T. Newman）、T.W.J.昂蒂（T.W.J.Unti）和L.A.坦博里尼（L.A. Tamborini）发现了另一组爱因斯坦方程的奇异解。他们的解非常奇怪，被命名为NUT解，以三人名字的首字母拼写。
NUT解不仅允许这种奇怪的时间旅行形式，还允许其他的奇怪的时空扭曲。例如，绕着桌子走360度，我们回到了出发地。现在，想象一下沿螺旋楼梯走360度的结果，我们并未回到最初的起点。
这些NUT解允许更高维度里的阶梯型解。例如，如果我们围绕一颗恒星做360度的旅行，我们不会回到最初的起点，而是达到了不同的时-空层面上。
尽管爱因斯坦的方程允许时间的奇怪的扭曲，我们并不用担心有一天地球会落入一个NUT解，并从宇宙的另一边出来。如同《回到未来》中描述的那样回到过去，或许是你的母亲在你出生之前爱上了你，并不具有可能性。NUT宇宙如果存在，它将超出我们可见宇宙的范围。与它们沟通是不可能的，因为它们超出了光线的范围。因此，我们不必将爱因斯坦方程的这些解当回事儿。
扭曲时间的量子修正
20世纪60年代，人们或许能将哥德尔和NUT宇宙排除在外，选择忽略。
然而，随着量子理论的出现，一切都变得困惑了。根据海森堡测不准原理，通过量子跃迁进入这些奇异的宇宙一定具有可能性，即便这些可能性无限小。因此，量子力学重新生成了许多的奇怪解。
事实上，随着超弦理论的发展，猜测和困惑被逐一消除。原则上，现在所有的量子效应都能进行计算。我们能一劳永逸地回答量子力学如何肯定或排除爱因斯坦方程的疯狂解——容许有桥的解，落入其他宇宙的解，以及时间旅行可能的宇宙解。
超弦产生的兴奋仍然持续着，尚未有人计算出这些量子修正。若干年后，人们或能有趣地看到这些量子修正有多大。
从无到有？
多年来，物理学家一直对这种可能性感兴趣——宇宙来自于从无到有的量子跃迁（没有物质或能量的纯空间-时间）。
从纯粹的时-空创造万物的想法非常古老，可追溯到第二次世界大战时期。物理学家乔治·伽莫夫在自传《我的世界线》中讲述了自己首次向爱因斯坦提交这个理论的情况。一次，伽莫夫和爱因斯坦一起在普林斯顿街上散步。伽莫夫提到了量子物理学家派斯卡·乔丹（Pascual Jordan）的思想，“一颗恒星，由于有质量，故而具有能量。然而，如果我们计算锁定于重力场内的能量时，会发现它是负值。该系统的总能量或许是零。”
乔丹认为，由于恒星能量为零，所以在它凭空产生时并未违背能量守恒。当伽莫夫向爱因斯坦提到这种可能性时，伽莫夫回忆，“爱因斯坦停下了脚步，因为我们正过着马路，几辆车不得不停下来以避免撞到我们。”
1973年，纽约亨特学院的埃德·特里恩（Ed Tryon）提出了独立于这些早期的有关星星的理论——也许，整个宇宙是从纯空间-时间创造出来的。再次，凭经验，似乎宇宙的总能量应该接近于零。特里恩认为，宇宙或许是被“真空波动”创造的，一种随机的从真空到完全成熟宇宙的量子跃迁。
开创膨胀理论的物理学家也将从虚无中创造宇宙这一观点视为一种严肃的概念看待。不过，“从无到万物”的理论与超弦理论有什么关系呢？
正如我们之前看到的，超弦理论预测，我们的宇宙起源于一个十维宇宙，它不稳定并猛烈收缩至四维空间，这个灾难性的事件创造了最初的大爆炸。然而，如果“从无到万物”的理论被证明是正确的，它意味着最初的十维宇宙或许是从零能量开始的。
目前，超弦理论家无法在数学上计算十维宇宙断裂为四维的精确机制。涉及的数学超出了大多数物理学家的能力，因为该问题涉及了复杂的量子力学效应。事实上，这个问题在数学上有明确的定义，因此，求解它只是时间问题。未来，当十维宇宙分裂为四维空间的动力学被理解，最初的十维宇宙储存的能量将能得到计算。如果我们通过计算得出十维宇宙的能量最初为零，将成为“从无到万物”理论的有力支持。
超弦和时空
14 超越爱因斯坦
最远的星星之外有什么？宇宙是怎样创建的？时间开始之前发生了什么？自人类第一次仰望天空且惊叹于无数星星的光辉至今，我们一直对这些永恒的问题感到困惑。
超弦理论令我们兴奋的核心是，我们或许终于能接近这些问题的答案了。想象我们或许要进入的那个新的时代，在那里，我们能拿出详细的数字回答几千年前希腊人提出的问题，实在令人激动。
如果超弦理论成功了，我们或许会见证历史上一些最伟大思想家做出的贡献。如果物理学家能证明超弦理论是一种可解释重力的量子理论，它将成为宇宙统一理论的唯一候选。它将完成爱因斯坦在20世纪30年代开始的将引力与其他已知力统一起来的宇宙探索。
当然，这给物理学界带来了极大的兴奋。统一一度被认为是个美丽但不切实际的想法，但在过去20年已发展为理论物理的主导主题。我们可能正在见证过去300年从牛顿开始的物理学的高潮。正如格拉肖所说，“物理学的孤立丝线现在被编织在一起产生了一幅美丽且优雅的挂毯。”
正如施瓦茨指出的：
基本粒子物理不同于所有其他分支科学——我们试图问的问题非常具体，如能完全成功地回答这些问题，你将拥有确定的答案。在科学的其他分支中，甚至没有一个学科有理论完成的可能性——化学和生物学没有确定的答案，甚至物理学的其他分支（如凝聚态物质物理学、原子物理学、等离子物理学）也没有确定的答案。在基本粒子理论中，寻找基本粒子规律——如我们追求的美真实存在，那么，一定有一个简洁而美丽的答案包含了整个故事。
这段话的含意令人震惊。例如，历史学家认为，发现一份罕见的几百年前的变黄的手稿是一个重大发现。这样的手稿给了我们与过去的无价联系，让我们一瞥以前的人们如何生活和思考。
考古学家认为，在几千年前的古代城市遗址中出土的文物是无价宝。这些人工制品能告诉我们（甚至在有文字记录之前）祖先如何建造城市，怎样进行商业和战争。地质学家对数亿年前在地壳深处产生的宝石的美丽而惊叹。岩石为我们提供了早期地球的宝贵线索并帮助我们解释形成大陆的火山力量。
天文学家用强大的望远镜探测天空，他们对接收到的光是几十亿年前由恒星发出的这一事实感到敬畏。古老的光帮助天文学家了解星星年轻时宇宙的模样。
对物理学家来说，超弦理论允许我们研究远在有文字记录、地质记录，甚至天文记录很久之前的时间周期。令人难以置信的是，超弦理论将带领我们回到时间的起点，回到世界上的所有力完全对称且统一的原始的超力。超弦理论可以为对我们至关重要的人类未曾经历过的现象提供答案。
对称与美丽
也许，过去几十年物理学最大的教训是，自然界不只是将对称性作为建立物理结构的便利工具，而是认识到自然界对对称性的绝对需要。当人们试图将量子力学和相对论结合时，出现了太多陷阱——巨大的雷区，如异常、分歧、快子（粒子速度快于光）、幽灵（概率为负的粒子），需要数量巨大的对称将它们消除。
简言之，超弦模型之所以“有效”，是因为它具有物理模型中从未发现的最大对称性。当我们基于弦而不是点写一个理论时，自然出现的大量的对称性足以消除这些异常和差异。
在某种意义上，超弦理论为狄拉克反对重整化理论提供了一个理由。他不可能接受费曼和其他人发明的所有技巧，将无穷大塞进他们的袖子。狄拉克发现重整化理论是如此地矫揉造作，以至于他拒绝相信它能成为自然的基本原则。费曼这位恶作剧者和业余魔术师能用羊毛遮住整代物理学家的眼睛吗？
超弦理论为狄拉克的反对提供了答案，因为它不需要重整化。物理学家相信，介于该理论中固有的大量的对称性，费曼的环图是有限的。
可以建造许多可能与相对论相容的宇宙，可以想象出许多服从量子力学定律的宇宙。将这两者结合起来产生了非常多的分歧、异常，也许只有一种解为真。一些物理学家愿以身家担保，最终解为超弦。
像一部神秘小说
统一场论从最初到今天超弦理论的曲折发展在某些方面类似于一部神秘小说。
像推理小说那样，故事分阶段进行。第一阶段，主要人物介绍。这对应于牛顿、麦克斯韦、普朗克和海森堡时代，自然力的基本性质被确定和阐明。然而，物理学在这一时期花费了太长时间，持续了几百年，因为研究的方向不明确。与谋杀之谜相比，犯罪的定义是明确的。在物理学中，只有爱因斯坦在20世纪30年代对物理学应走的方向有清晰的认识，他在完全孤立中工作。此外，他缺少一个主要角色——核力量的关键信息。
第二阶段，将不同个体联系起来的模式出现了，给了我们罪犯身份的第一条线索。在物理学中，这相应于在20世纪50—60年代取得的令人困惑但稳步的进步，物理学家在强相互作用中认识了SU（3）并在弱相互作用中认识了SU（2）。李群被认为是解释各种力的适当的形式，但科学家对它们的起源和目的并不明确。夸克模型被提了出来，但人们对它并不完全了解且不知道是什么将夸克聚集在一起。
第三阶段，提出了相关的明确理论将某个人与犯罪联系起来。在物理学中，这相应于20世纪70年代，这时规范对称被清楚地认为是强力、弱力、电磁力统一的框架。然而，这也是错误的开始。S矩阵理论是作为另一种量子场论被提出，但它最终帮助产生了弦理论。然而，弦理论的意义在当时不能完全理解。在此期间，它遭到了否定。
第四阶段，线索到位，做出了最终结论。在物理学中，这相应于过去几年，超弦理论已成为了一种没有竞争对手的理论。尽管实验情况仍悬而未决，科学家们已有足够的令人信服的理论结果相信超弦理论正是我们长期寻求的统一场论。
成为大师
在星星的门槛上
今天物理学的显著之处在于我们做出了对时间开始的令人信服的陈述。那时，我们像蜘蛛一样，在技术上非常年轻，刚从我们星球的引力的禁锢中解脱出来。从乔尔丹诺·布鲁诺时代开始，我们的智力走过了漫长的路程。他于1600年被烧死在教堂的火刑柱上，只因为他说了句，“太阳只是一颗星星。”今天，在技术层面上，我们仍处于婴儿期，刚开始探索太阳系中最近的行星。我们最强大的火箭也几乎不能逃脱太阳的引力。
然而，鉴于我们相对原始的技术发展，我们仍试着陈述时间的起源，主要是通过使用对称的巨大力量。在进化的时间尺度上，我们离开森林大概只有200万年（这不过是一眨眼的工夫），但我们已对数10亿年前，时间起点发生的事情做出了仔细的以及合理的陈述。
可以预料，只有拥有大量资源的更先进的文明能发现统一场论。例如，天文学家尼古拉·卡尔达舍夫将先进文明分为三类——第一类文明控制整个地球资源；第二类文明控制恒星资源；第三类文明控制整个星系的资源。
在这个规模上，从技术上讲，我们仍处于第一类文明的门槛阶段。一个真正的第一类文明可完成超越当今技术范围的壮举。例如，第一类文明不仅能预测天气，还能在实际上控制它。第一类文明能将撒哈拉沙漠变成绿洲，利用飓风的能量，改变河道，从海洋中收获庄稼，改变各大洲的形状。第一类文明能窥视地球，预测或制造地震，从地球内部提取稀有矿物和石油。
相比之下，今天的我们连国家资源也不能绝对控制，更别说全地球了。然而，鉴于技术发展的几何级爆炸式展望，我们可以期待向第一类文明过渡，在几百年内掌握行星力量。
向第二类文明过渡，可以利用和管理控制太阳的能量，基于技术的几何增长可能需要几千年。第二类文明可能会殖民太阳系，或许还有一些邻近的太阳系，挖掘小行星带并开始建造可操纵太阳的巨大机器（第二类文明的能源需求异常巨大，人们必须实现对太阳的开采）。
向第三类文明过渡，掌握星系的资源，将我们的想象力发挥到极限。第三类文明可以掌握今天只能梦想的事情，比如星际旅行。也许，在艾萨克·阿西莫夫基金会系列中能一瞥第三类文明的模样，将整个银河作为背景舞台。
人类技术发展跨越了数十万年，不过，自牛顿发现引力定律以来的300年，我们在掌握自然基本规律上取得了不可思议的迅速进步。
很难想象我们的文明利用有限的资源如何最终向第一类文明过渡，然后充分利用统一场论的潜力向之后的文明过渡。牛顿和麦克斯韦，在他们的年代并未意识到某日人类会发送宇宙飞船至月球或者用巨大的发电厂给城市供电。在他们的时代，工业和商业太原始，无法想到他们理论中的一些固有的可能。
幸运的是，近年来，我们的技术进步呈几何级暴增。然而，我们的大脑和想象力却无法理解这样的几何成长。所以，科幻小说在几十年后重读时，总显得老旧过时。原因很简单，作者的想象力会受制于那个时代的技术限制。科幻小说仅是现状的线性推断或延伸，真实科学比科幻小说更离奇。
在这个框架下，可以想象预测统一场论有多难，因为我们受制于社会本身的相对原始性，我们的想象力太保守。
虽然我们未完全掌握第一类文明的行星资源，无法充分开发统一场论的实际应用，但我们有决心、智慧和精力探索统一场论。
我们的行动远未结束，只是刚刚开始。
附录
宇宙的琴弦，奏响大一统的赞歌
糊泥马 2020-12-23 11:22:15
宇宙的真理是什么？这是从古至今人们一直执着探寻的事。从老聃“象帝之先”的玄之又玄的道、邹衍的五行生克之德，到今天的现代物理学，人们在寻找世界本源的路上艰难跋涉。
物理学的历史上，我认为有两大里程碑：一是牛顿三定律的提出，为人们打开了世界的新大门；二是麦克斯韦方程组的发现，带人们迈上了大一统的道路。
而继麦克斯韦后的探索过程中，又有一个理论如霹雳般划破天际，对大一统作出了目前为止最完美的解释，就是这本书所要讲的“超弦理论”。
本书的作者之一加来道雄的名字并不陌生，在高中时，人教版课本中就有他的作品《一名物理学家的教育历程》，他不仅是著名的物理学家、超弦论的扛把子，还是科普达人，出过数本优秀的科普著作，这本《超弦论》就是其中之一。
而本书另一作者詹妮弗·汤普森，是一位作家，在本书之前，她与加来道雄合著的《核能》，被《基督教科学箴言报》选为1982年最佳书籍之一。不用说，詹妮弗肯定是给加来道雄擦屁股的，毕竟，让一个理工直男自己写科普书，可能通篇都是xyz。
在过去的2000多年，人们逐渐认识了四种力：电磁力、重力、弱力、强力。宇宙真理的大一统，实质上就是将这几种力统一在一个框架下。而本书所介绍的超弦理论，便是最后的临门一脚，将重力纳入整个框架。
当然，本书虽然题为超弦论，但它并不是只讲超弦论，而是以物理学史的形式，为我们讲述了以超弦论为代表的、将四种力实现统一的统一理论的沿革。
本书共分为三章，分别讲述统一理论在弦理论诞生前的发展、弦理论的诞生、弦理论的一系列谜一般的结论等内容。
在第一章中，作者用了大量笔墨，讲述了在弦理论之前，物理学家们为统一理论作出的重要努力。在这个过程中，麦克斯韦方程组诞生，爱因斯坦用相对论探寻宇宙的奥秘，薛定谔等人用量子力学解剖粒子，各种亚粒子接连被预言及发现。
加来道雄在这一章提出了许多独到的见解，比如，麦克斯韦是GUT（大一统理论）的开端，因为他将电、磁力统一在一起；爱因斯坦并不是老顽固，而是接受量子力学的数学方程，只是他在量子潮流中独自清醒，认识到量子力学的不完备性，所以被当成奇葩；相对论与量子力学水火不容，而没有相对论，量子力学是失败的。
此外，第一章还讲了许多有趣的事，比如费曼用涂鸦一般的费曼图来代替复杂的运算来搞研究、用无穷大减去无穷大得到有限的奇葩结果、横着看是我竖着看也是我的对称性等。最终，物理学家们将除了重力之外的其他三种力统一起来，形成GUT理论——当然，排除重力说明它并不完备。
到了第二章，本书进入了正题，也就是超弦理论。这一章里，作者为我们展现了超弦理论的创始人南布天才般的想象力。南布认为，实验室里撞出几百种强子是不科学的，它们之间肯定有潜在的联系，于是乎，他假设强子是由振动的弦构成，不同的强子代表不同的振动模式，于是，让物理学获得突破性进展的弦理论由此诞生。
从南布发端，后来又经过本书作者加来道雄、余乐平、施瓦茨等人的发展，正逐渐成为大一统理论的完成者。在这个过程中，我们还见证了费曼的涂鸦简洁而神奇的力量，以及窥见了杨振宁在物理学中比肩牛顿爱因斯坦般的贡献。而超弦论因为二十六维自洽等原因，还经历过死亡，但最终浴火重生。
到了最后一章，作者介绍了弦理论、GUT理论等关于大一统的理论中的许多神奇结论。比如，宇宙大爆炸、黑洞、暗物质、反物质、十维空间等。在这里，我们知道了从奇点爆炸开始宇宙的历史，明白了剩余六维空间如何蜷缩起来，看到了特殊解下穿越黑洞实现时空旅行的可能性。
在最后一章，我们还见到了霍金，当我们对着密麻麻们的方程式一脸懵圈的时候，他却不得不在脑子里进行运算，这种人，除了天才还有什么词能形容？
从内容上来看，整本书主要面向小白，省去了各种方程式与数字，用讲故事的方式来让读者明白超弦论的前世今生，以及物理学家们传奇般的研究经历。
总体上说，这本书比较通俗易懂，但内容上也有一些缺陷：
1、用词不准。比如第一章中，介绍相对论时频繁使用“重力”，但重力与引力完全不是一回事；介绍费曼图时，又出现“费米图”这一名词，费米和费曼的英文并不一样。
不知道是作者本身的笔误，还是译者的错误，物理学名词无论是原词还是翻译都不能改变，就像阿猫不能叫阿狗，翻译国外科普作品最好还是让有专业背景的人来，以免造成错讹误导读者。
2、过于简化。为了尽量降低门槛，作者最大限度省去了数字，以及一些艰深的内容，这也造成了故事说不到点上。比如，麦克斯韦方程小白看不懂，但它的四条结论写成方块字还是能让人看懂的；不把夸克的带电量写出来，小白怎么知道它们为什么如此组合成电子和中子；超弦理论的5种自洽模型互相之间也打架，最终被M理论统一，省去这事的话超弦简直成了超神。
3、章节排布问题。在前几章中，频繁引用了第7章的结论，既然如此，为何不将相关内容提前？
最后，我以前读《宇宙的琴弦》时，里边讲述弦理论因为在四维下不自洽差点崩了，后来人们发现到了十维才基本靠谱，但到后来人们又发现十一维更加靠谱。而本书只讲了十维，以及南布的二十六维的事，哪个真哪个假就留个悬念吧。