宇宙的琴弦（第一推动丛书·物理系列）

本书是弦理论的科普著作，作者本身就是当今世界领先的弦理论家之一。书中先对过往的物理学理论发展脉络做了整体概述，以带出弦理论发展的前因后果。花30余小时强读了一遍，大致感觉是关于相对论和量子力学部分的讲解相对易懂，关于弦理论的部分比较晦涩。简要梳理下以加深理解： 【“对称性”与“对称性破缺”】本书结尾处作者有句话：“过去百年里我们明白了一个大道理：物理学定律总联系着对称性。”而1974年李政道第二次回国访问时，毛主席单独会见他，专门问了他一个问题：“为什么对称是重要的？”这件事情记录在李政道先生的《对称与不对称》一书中。用李老的话说：“对称展示宇宙之美，不对称生成宇宙之实。”“对称性”与“对称性破缺”是一枚硬币的两面。 物理学定律不随运用时间和地点而改变，物理学家把这样的性质说成是自然的对称性，大自然总是平等地——对称地——对待时间的每一瞬间和空间的每个位置，这样就保证了相同的基本定律在大自然发生作用。对称性意味着守恒律：时间平移对称性→能量守恒；空间平移对称性→动量守恒；空间旋转对称性→角动量守恒；规范对称性→电荷守恒。对称性始终是物理学家探索未知的那盏指路明灯，它让纷繁复杂的宇宙现象背后呈现出简洁的秩序，变得可以理解；而正是因为早期宇宙中发生的微小对称性破缺，物质没有与反物质完全堙灭，从而得以生成我们目前看到的浩瀚宇宙。 物理学理论的重大突破，往往源于过往理论之间的冲突。近代以来，主要有三次重大的“冲突”推动了物理学大厦的翻新。 【第一次冲突：牛顿运动定律vs麦克斯韦电磁理论】核心问题：光速是否能被超越？ 用典型场景来理解下这一冲突：铁路边的路人甲打开手电筒沿着铁路向前方发射一道光，路人甲后方100米处有一辆匀速行驶的火车，火车上的乘客乙在同一时刻打开手电筒。乙的光速能否追上甲的光速？ ①按照牛顿的运动定律：光速+车速＞光速，跑的够快可以追上远去的光束； ②但麦克斯韦的电磁学定律却推导出“真空中光速是一个常数”，与光源的运动无关。后来迈克尔逊-莫雷也通过实验测得光速确实不变。 冲突的解决：狭义相对论。 爱因斯坦摒弃了牛顿力学中绝对时空的观念，站在了麦克斯韦这一边。他基于“光速不变原理”和“相对性原理”（物理定律在所有惯性参考系中形式相同）推导出狭义相对论，化解了这一矛盾。 ①在狭义相对论框架下，不存在“光速可以叠加其它速度”这一说。无论乙的火车跑得多快，他发出的光相对于地面永远都是光速c。两束光始终以相同速度奔跑，它们之间的距离（100米）将保持不变。 ② 更重要的是，狭义相对论重塑了时空观。在牛顿力学中，空间和时间被视为绝对且相互独立的背景，时间均匀流逝，空间是一个静止的巨大容器，“同时性是绝对的”；但爱因斯坦揭示，时间和空间的测量是相对于参考系的，两者实际上是相互交织在一起的“时空”统一体。“同时性具有相对性”，你认为同时发生的两件事，在运动的人看来可能一先一后。运动会使时间流逝变慢、空间长度缩短，即“钟慢尺缩”。只是因为这个变化数值特别小，日常中难以感知；但放到宇宙尺度，就会有巨大差异，如果速度达到光速，时间将停止流逝。 打个比方，牛顿的时空观——时空是刚性舞台，运动是演员（舞台不变，演员在上面动）。爱因斯坦的时空观——时空是柔性橡皮泥，运动是捏橡皮泥的手（你怎么运动，时空就怎么变形）。 ③时空观既然变了，那么力学也发生了相应的变化：狭义相对论出现之前，物理学承认能量守恒（时间维度）和质量守恒（空间维度），二者互不关联。狭义相对论把二者结合起来，既然时空是统一体，那么质量和能量也是同一枚硬币的两面，可以相互转化，这就是著名的质能方程（E=mc²）。 总结： 牛顿的时空是分离的：三维空间 + 一维时间，各自独立。 爱因斯坦的时空是统一的：四维时空，时间和空间可以互相转化——你分到的空间少了，分到的时间就多了（尺缩对应钟慢），而总量是守恒的。 狭义相对论揭示了：运动影响时空。但当时的人们还不知道，引力同样可以改变时空——而这则是第二次冲突要揭示的秘密。 【第二次冲突：牛顿万有引力vs狭义相对论】核心问题：引力是什么？ 问题场景：假如太阳突然爆炸，引力消失，那1.5亿千米外的地球是否会瞬间脱离它的既定轨道？简单说就是引力能否超越光速？ ①按照牛顿万有引力定律，引力被视为一种超距作用——它只与质量和距离有关，太阳消失的消息会“瞬间”传到地球，地球立即飞出去。 ②而狭义相对论严禁任何信息超越光速，光从太阳传到地球需要8分钟。这就产生了尖锐的矛盾：引力到底需不需要时间传递？ 冲突的解决：广义相对论。 其实牛顿的万有引力一直有个缺陷：他精准描述了引力“做什么”（如何运动），却没解释引力“是什么”（为何存在）。就像提供了洗衣机的使用说明，但当洗衣机出现问题时，使用者就不知道如何维修它了。 爱因斯坦通过一个思想实验想抓住了引力的本性，这个思想实验就是等效原理：想象你站在一个密闭的电梯里，感觉身体被压向地板。但是你无法判断：自己感觉到的这个压力，是因为电梯静止在地球表面（受到引力），还是因为电梯在无引力的太空中加速上升？这说明：在局部空间内，引力的效应和加速运动的效应，是相同的，二者无法被区分。 而狭义相对论已经告诉我们：运动会影响时空。其中，在时间方面是速度越快，时间越慢。 既然引力与加速等效，而加速是运动的一种形式，加速过程也会导致时间的累积效应，时钟同样会变慢，那么引力也必然会影响时空——引力越强的地方，时间流逝就越慢。时间与空间又是不可分割的四维整体，一旦时间被引力扭曲，空间必然也随之弯曲。于是爱因斯坦得出那个革命性的结论： 引力不是什么神秘的力，它就是时空的弯曲。 在爱因斯坦看来，把地球“绑”在轨道上的，不是一根无形的绳子，而是因为太阳的巨大质量把原本平坦的四维时空给压弯了。这个弯曲是双重的： ①空间弯曲：就像在一个绷紧的床单上放一个铁球，床单会凹陷下去；地球则是一颗在凹陷边缘滚动的小珠子。用物理学家惠勒的话：“质量牵着空间，告诉空间如何弯曲；空间牵着质量，告诉质量如何运动。” ②时间弯曲：大质量物体附近，时间流逝会变慢。引力越强的地方，时间流逝越慢。这就是引力时间膨胀效应——它并非理论推想，而是被精确验证的事实：比如GPS卫星必须修正时间变快的效应（因为离地球远、引力弱），否则定位会每天漂移几公里。 当太阳这个大质量物体把时空压弯时，不会瞬间完成的，而是从太阳开始向外扩张，爱因斯坦计算发现太阳对时空的扰动速度正好是光速。同理，当太阳爆炸消失时，被压弯的时空也不能瞬间恢复平整，而是以光速恢复，也就是在太阳爆炸8分钟后，地球上的我们才知道太阳熄灭了。 【量子力学：探秘微观世界】在引出玄理论之前，需要先了解另一个重要理论——量子力学。如果说相对论颠覆的是人们的“时空观”，量子力学颠覆的是“实在观”。 ·经典世界观：世界是客观存在的，独立于观察者。月亮在没人看的时候也在那里。 ·量子世界观：在没有观测之前，谈论“月亮在哪里”可能没有意义。只有通过观测，实在才被“创造”出来。惠勒有一句极端的表述：“没有一个基本现象是现象，直到它被观测到。” 量子力学描述的世界，与我们日常经验的世界截然不同。 先看看微观世界有什么？ 把一块物质不断对半切开：石头→砂粒→粉末→分子→原子。到了原子这一层，我们终于碰到了微观世界的“居民”。原子内部是电子＋原子核，原子核内部是质子+中子，质子或中子内部是基本粒子——夸克（共6种），除此之外，还有传递力的粒子：光子、胶子、W和Z玻色子。目前已知的基本粒子共有17种——这是标准模型，这些粒子主要通过强力、弱力、电磁力三种互相作用在一起（也有引力，但影响很小）。 基本粒子是如何运动的？著名的“双缝实验”可以让我们一窥它们的诡异性： 想象你有一把“电子枪”，可以向一面墙发射电子。墙上有两条平行的窄缝，墙后面是一块感光板，电子穿过墙上窄缝会在感光板上留下亮点。按照常识，电子要么从左缝过，要么从右缝过，感光板上应该只有两条平行的光线。但实验结果却让人怀疑人生： ① 如果两条缝都开着，感光板上留下的不是两条亮痕，而是好几条明暗相间的亮痕，这说明粒子也有波的性质；（你可以简单复制这个实验：水盆中放一块木板，木板上有两条缝，在木板一侧敲击水面，水波穿过木板上的细缝后，波纹会变窄变多） ②如果你在缝口装一个探测器，想看看电子到底从哪条缝走。 结果更怪：一旦你“看”了它，感光板上只剩下两条亮痕，就像正常一样； ③如果你关掉探测器，恢复“不看”的状态，又会恢复成好几条明暗相间的亮痕。 这个实验揭示了量子力学的5条核心原理： ①微观世界的粒子有“双重人格”，同时具有粒子和波的性质，即“波粒二象性”。 ②在没人“看”的时候，它们处于一种我们无法理解的状态。电子不是“从左缝过”或“从右缝过”，而是同时处于 “既从左过又从右过”的状态——这种状态称之为“叠加态”，薛定谔的猫就是这个意思。 ③一旦有人“看”，它就“老实”了。当你试图通过探测器观测它，叠加态会瞬间“选择”一个确定的状态——要么从左缝过，要么从右缝过。这叫“波函数坍缩”。（波函数为什么会坍缩，目前好像还没有统一的答案） ④你不可能同时知道“它在哪儿”和“跑多快”。你想“看”电子从哪条缝过，就得精确测量它的位置。但海森堡发现：当你把位置测得越准，它的速度就越不准确。反过来也一样。这不是测量技术不够好，而是自然界的根本限制——这叫“不确定性原理”。 ⑤一旦相遇，永远“纠缠”。如果两个电子发生过相互作用，它们会形成一种诡异的关联——量子纠缠。之后无论它们相距多远，哪怕宇宙两端，测量其中一个，会瞬间影响另一个的状态。 所以在微观尺度上，宇宙是一个闹哄哄的、混沌的、充满概率的世界。 【第三次冲突：广义相对论 vs 量子力学】冲突的本质：广义相对论（时空的几何）和量子力学（点粒子的行为）在数学框架上根本不对接。 现代物理学有两大支柱：一是广义相对论，描述大尺度、强引力场下的宏观宇宙——行星运转、恒星演化、黑洞形成、宇宙膨胀，在广义相对论里空间和时间形成一个光滑弯曲的几何结构；二是量子力学，揭示了微观世界的规律，成功描述了除引力外的其他三种基本力（电磁力、强力、弱力），在量子力学中，宇宙万物，包括空间和时间，都在经历着量子涨落，而且，在越小的距离尺度上，涨落越剧烈。 两种理论在各自的领域都运行良好，做出了精确度极高的预言。平时它们相安无事，因为二者的管辖范围几乎没有重叠：研究恒星时量子效应可以忽略，研究原子时引力效应可以忽略。 然而，在某些极端条件下，事物质量超级大但尺度极其小——广义相对论和量子力学必须同时上场，但这两种理论却互相不兼容。最典型的场景有两个： ① 黑洞的中心： 根据广义相对论，大质量恒星坍缩成黑洞后，所有物质会被压缩到一个体积无限小、密度无限大的点——奇点。在那里，时空曲率变得无限大，物理定律失效。 但量子力学告诉我们：没有什么是“无限小”的——在普朗克尺度下，时空本身应该是泡沫状的、涨落的，不可能存在“光滑的无限小点”。 ② 宇宙大爆炸的瞬间： 观察星系会发现，宇宙正在向外膨胀。如果把这部“膨胀电影”倒放回最初，所有物质和能量也会被压缩到一个无限小的奇点——大爆炸的起点。这和黑洞奇点是同样的问题：广义相对论说那里是奇点，量子力学说不可能。遇到上面这两种极端情形，当把两个理论的方程混合起来时，得出的答案是荒谬的，比如关于某个过程的量子力学概率，算出来的概率竟然是无穷大。这正是爱因斯坦后半生未能完成的夙愿：寻找一个能将所有力和物质统一起来的“万物理论”。 解决思路：弦理论 弦理论的目标：把相对论和量子力学整合起来，形成一个大一统理论。需要说明，弦理论目前只是一个框架，尚未成熟。 以往物理学理论建立在“宇宙的基元是粒子”这一假设上，标准模型中，电子、夸克等基本粒子被视为没有大小、没有内部结构的“数学点”。 弦理论则提出了一个颠覆性的假设：所有这些看似不同的粒子，其实都不是“点”；而是一根根振动的一维“弦”，如同可以振动的琴弦--不同振动模式对应不同粒子。 弦理论如何实现“大一统”： ①统一四种力：在弦论中，传递强相互作用力的胶子、传递弱相互作用的玻色子、传递电磁力的光子，都是开弦的振动模式。而最关键的引力，则被证明对应于闭弦的一个特定振动模式，这个假想中的粒子被称为“引力子”。这意味着，只要接受了弦的概念，引力就自然而然地被包含其中，四种力得以统一。 ②调和广义相对论与量子力学：通过用一维的“弦”取代零维的“点”，弦理论巧妙地避免了量子力学计算引力时出现的无穷大问题，使得爱因斯坦的广义相对论能够和谐地融入量子世界。 看不见的维度： 弦理论认为，我们实际上生活在一个更高维度的宇宙中。为了让这套理论自洽，数学计算要求时空必须超越我们熟悉的四维。空间维有两种：它可能很大，延伸远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来。我们宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷缩的维。注意，弦理论里的维度不是科幻作品里的"第五维度"或"高维空间"，而是蜷缩起来的维度（卡—丘空间）。早期的弦理论要求26维，后来发展出的“超弦理论”则要求10维（9个空间维+1个时间维）。目前集大成的“M理论”更是将维度提升到了11维。 初次接触弦理论，自己理解的比较浅显，难以形成一个整全性的视野而后降维诠释，只能简单写个引子，待日后了解深刻了再回来补叙。

四川话里面，弦和玄发一个音：玄。这也是我对弦理论的一个看法：玄。 近十几年来，弦理论基本处在一种飘渺玄妙状态，支持者无不感叹弦理论多么有望统一微宏观宇宙，但同时又几乎缺乏任何实验支撑。说句不太恰当的，就像老板画的饼：理论上我司一年融资，三年发行，五年上市。实际上我司还在申请卫生经营许可。 当然不能否认弦理论之前沿。相比古早的牛顿经典力学，爱因斯坦相对论，量子力学，弦理论真的是让蒙上了许多乌云的物理学更加阴云密布。 这是好事！ 乌云越多，探索的方向越多，揭露的真理越多。 这本书基本上把弦理论的精髓讲透了。但同时需要相对高一点的物理知识储备才能读懂。毕竟牛顿力学初中能懂，爱因斯坦相对论高中能懂，量子力学本科能懂，弦理论真的需要研究生及以上才能懂。 总之是本科普好书！如果自认为对量子力学已经相对了解的，可以读之。

~因故事而前行，获知识于无意~01 前言 “知识是成功的解释所导致的，但将我们推向前进的思考则是纯粹的故事。”（《有限与无限的游戏》） 我们是通过成功的解释去启发预测的，并通过持续性的预测证实得到知识，但这只是对事物认知的一个侧面，以宇宙来举例，吸引我们投入其中的是想象和故事，知识只是我们探索宇宙的副产品。 我们很多人都知道爱因斯坦的伟大，但与国内的教育理念不一样的是，他并不是出于伟大的目的去研究宇宙的，驱使他前进的只是一种热忱的信念：“对宇宙的最深刻认识将揭示一个最大的宇宙奇迹，那就是，它所依赖的基本原理是那么简单而有力。他渴望以前所未有的清晰来表现宇宙的活动，让每一个人都敬畏它那美妙动人的旋律。” 本书的作者，布莱恩·格林，也是基于同样的目的，以一种赤忱到近乎狂热的爱，踏上了研究超弦理论的道路。 02 当下对宇宙的认知 认识宇宙就是认识物质，也就是认识基础粒子、粒子的相互作用力，以及时空场。（《物质是什么》） 基础粒子和相互作用力当前由标准模型理论解释，分为夸克（36）、轻子（12）、规范玻色子（12）、标量玻色子（1），以及1个尚未发现的引力子，总计61+1个。其中夸克和轻子是物质粒子，规范玻色子是相互作用力粒子，标量玻色子也就是希格斯粒子，用来与物质粒子作用使其产生质量。这些都属于量子理论的范畴。 时空场则由广义相对论解释。目前量子理论通行于微观领域，而广义相对论擅长在宏观尺度，两者难以融合。为了弥合这两大理论构成大一统的理论，弦理论科学家们假设：以比现有技术高得多的数量级的精度去考察这些基本粒子，它们将不是点状的粒子，而是由许多的小环构成，每个粒子都像一根振荡、跳动的丝线。 03 广义相对论 狭义相对论的基础在于相对性原理和光速不变性，也就是钟慢效应、尺缩效应和质能关系式。在狭义相对论的基础上加上等效原理也就合成了广义相对论，也就是引力场方程、时空弯曲和黑洞。它们由浅入深地保证了物理定律的不变性和观察者的平等：狭义相对论采用相对性原理保证匀速运动观察者的平等，而广义相对论采用等效原理保证加速运动观察者的平等。（《时间的形状：相对论史话》） 光速不变性不单单是在空间中，同时也是在时间中，更为严格的表述是：在宇宙时空中，光速始终具有最大值。当光子在空间中具有最大值的时候，其时间维度的分速度就会降为0，也将永远不会变老。广义相对论依托于闵可夫斯基的四维时空图来表达物质在时空中的轨迹，而这就是鼎鼎有名的“光锥之内即命运”。 04 诡异的量子世界 量子世界在很多方面都是反直觉的。“量子力学除了在数学上是和谐的，我们相信它的唯一理由是它做出的许多预言都得到了异常精确的证实。”而这一切的源头，正在于离散量子化，这起始于普朗克在研究热力学问题时提出的普朗克常量，大小约6.63*10(-34)。这导致了光的波粒二象性、德布罗意波和海森堡不确定性原理。如果说巨大的光速是广义相对论的本性，那么微小的普朗克常量就是量子世界的本性。 量子世界的诡异在于，在单电子双缝干涉实验中，哪怕我们在电子通过双缝之后遮住一个缝，也会立即发现干涉现象消失，似乎，量子可以由于结果的变化而改变原因。而解释这个现象的理论是费曼路径积分：每一个电子，从发射源到荧屏上某一点，实际上同时经历了所有可能的路径。而这所有可能的路径，是无限的。 粒子的波动特性意味着我们应该以概率的方式来描述微观物质本身，而不是以宏观世界的确定方式。“过去我们总以为，宇宙间的一切事物都照一定的节律运动，它将从过去某个时刻走向它唯一注定了的终结。根据量子力学的观点，宇宙也遵照严格准确的数学形式演化，不过那形式所决定的只是未来发生的概率——而不是说未来一定会发生什么。” 05 矛盾的产生 “不确定性原理还告诉我们，关注的空间越小，看到的引力场起伏越大。量子力学展现了一个没有绝望的世界，越是狭小的地方，越是浪花飞溅。”引力场通过空间的弯曲表现出来，而量子涨落通过周围空间越来越强烈的扭曲表现自己。 “广义相对论的核心原理——光滑的空间几何的概念——被小距离尺度的量子世界的剧烈涨落破坏了。在超微尺度上，量子力学核心的不确定性原理与广义相对论核心的空间（以及时空）的光滑几何模型是针锋相对的。” 广义相对论核心的光滑和轻微弯曲的几何图像，在大尺度上证实了；但在推向小尺度时，却被量子涨落破坏了。这个矛盾看起来是如此的不可调和，但总归还是有希望的，而融合的希望之一正在于超弦理论。 06 超弦理论 “根据理论，弦是构成原子的粒子的超微观组成元。弦理论的弦小得可怜，平均大约是普朗克长度的尺寸，所以即使用我们最灵敏的仪器来检查，它们看起来也像点一样。依照弦理论，一个基本“粒子”的性质——它的质量和不同的力荷——是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定的。” 万有引力和量子力学在粒子基础下，会由于微观尺度的量子涨落而失去空间的连续光滑特性，从而两者冲突，但弦理论表示，这两个理论都是人为总结归纳并定义的，那么有一种可能就是它们的粒子基础本来就不存在，在这种尺度下距离的定义本来就不在是人们客观想象的这样，也就直接抚平了这微观尺度的空间不光滑，从而不存在这个问题。相当于我们人为认知的粒子基础和空间涨落只是我们理论与真实的物理学的人为定义偏差，实际上并不存在。 弦理论加上超对称性，就构成了超弦理论，但这两大要素目前仍然都只存在于想象之中。 07 空间结构 超弦理论的空间基础基础在于看不见的额外维度，也可以称作卷曲的维度。超弦理论认为可见的空间维度为3，卷曲的空间维度为6，时间维度为1，总共是10维时空。 怎么理解卷曲的维度呢？以水管举例，绕着管子密密地画满圆圈。从远处看，管子是一根长长的一维的细线。但是，如果拿望远镜来看，很容易看到在管子表面卷缩的那一维环线，这说明水管的表面是二维的，1个大的延伸的维和1个小的卷缩的维。同样，可以把这样的描述类推到宇宙空间中。 一旦我们从更高的维度来观察我们的世界，那么物理方程可以在空间维度上进行外延推广，在数学形式上也许就可以统一引力和电磁力，而这就是爱因斯坦一直苦苦追寻的大一统理论。 超弦理论既然与空间结构的卷曲密切相关，那么这些多余的6个空间维度以怎样的方式“褶皱”起来呢？以卡-丘空间的几何形态存在，这里边涉及到一个伟大的华裔数学家，丘成桐。作者在空间结构和空间的拓扑结构变化上进行了很多研究和探索，可以看出作者对于这方面的数学基础和物理融合做的很深入，奈何俺实在是没看懂。 然而正由于卡-丘空间的形态是很多的，超弦理论下我们这个宇宙采取那一种卡-丘形态构造呢？这似乎就是一个大海捞针的结果了。 08 感悟 “宇宙最不可理解的事情是它是可以理解的。” 但还有另外一种更大的可能，宇宙归根结底还是不可被宇宙内部的生命所完全理解的，毕竟也许宇宙得以成为当前宇宙的因素正在于宇宙之外。 09 摘录 >> 科学的历程起伏跌宕，有时硕果累累，有时田园荒芜。科学家推出的结果，不论理论的，还是实验的，都摆在科学界同仁的面前，任他们评说。这些结果，有时被否定，有时被修正，有时则为我们重新更精确地认识物理学的宇宙带来思想的飞跃。换句话说，科学曲曲折折地走向我们希望的最后真理，这条路从人类最原始的探索开始，通向我们未知的宇宙尽头。 >> 当我们继续追寻终极理论的时候，在通往更宏大的宇宙蓝图的路上，我们可能会发现弦理论不过是万里长征的一步，我们还会遇到以前从未见过的不同的思想和概念。这一科学历程告诉我们，当我们自以为懂得了自然的一切时，它总还藏着些惊奇，我们只有极大地（有时还得从根本上）改变我们认识世界的思维路线，才可能发现它们。当然，我们还是可以满怀信心地认为——也有人曾那样天真地想象——我们生活在人类历史的一个转折点，宇宙的终极规律将在我们的时代出现。 >> 那是在黑暗中焦虑地摸索的年月，满怀着强烈的渴望，有过信心，也有过动摇和疲惫，但最后终于看见了光明。 >> 每个时代都有一个转折点，都有一种新的认识和评判世界秩序的方法。我们这一代人也在惊讶我们自己的新宇宙观——我们认识世界秩序的新方法——实际上也在实现我们自己的价值，把我们搭成人类的阶梯，通向遥远的星辰。

前沿物理真的太迷人了，尤其是 M 理论及以后几章，不断感叹真是太神奇了，人类从地球上的普通生物发展到认识整个宇宙的起源和规律，确实太不可思议了

The Elegant Universe，自爱因斯坦以来的空间和时间的故事。 其实真正进入弦理论之后的部分（大约60%）我就已经看不懂了。但满足的讲，狭义相对论、广义相对论和量子力学（也是弦论的基础）这三节课我应该听明白了（科普意义上）。 对我来说，读哲学（尤其是存在主义）和宇宙物理都出于同一个深层动机。随便提出一个问题，一个为什么会引出下一个为什么，那个动机就在无穷尽的为什么锁链的尽头。我相信这一点在人类中是普适的。 电视机上的雪花点是大爆炸的余晖，老唐没讲错。老唐和弦理论家们是做同一种梦的人。我被现实束住了手脚，一半自愿，一半被迫，失去了醒着做梦的能力。感谢笔者，感谢老唐，让我至少可以阅读他们的梦境，这对我很重要。

布莱恩·R. 格林的这本《宇宙的琴弦》由浅入深地介绍了弦理论的来龙去脉。 一、弦理论创建的缘由 一般来说，广义相对论支配着宏观领域。量子力学统治着微观领域：原子、电子和亚原子微粒。简而言之，尺度越大，相对论与实际观测结果越符合；尺度越小，量子理论与实际观测结果越符合。但这两大现代物理学的基础理论似乎是不相容的，它们不可能同时正确。 爱因斯坦发现时间和空间是不可分割的，他将这二者形成的结构称为时空。他的广义相对论指出，时空本身会受到大质量物体的扭曲，而引力正是这种扭曲产生的结果。这就像在蹦床上放置一个台球，它会产生一个凹陷，使附近的弹珠滚入其中；同样，大质量物体（如行星）也会弯曲时空，使附近的物体受到其引力吸引。根据爱因斯坦的观点，引力不是通过空间传播的某种东西，而是由时空本身的几何结构造成的。广义相对论主要描述的是行星和星系的世界，而量子力学主要关注亚原子尺度，即构成物质的基本粒子这一领域。在这个尺度上，质量非常小，引力可以忽略不计。量子场论是粒子物理的量子力学描述，它认为基本粒子通过被称为规范玻色子的信使粒子来传递力：一个基本粒子通过发送一些规范玻色子来向另一个粒子传递力。 在二十世纪的发展过程中，四种基本力中的电磁力、弱核力和强核力的信使粒子都在实验中被观测到了。为了保持理论上的一致性，爱因斯坦的理论也应当能够用类似的信使粒子来重写。物理学家将引力信使粒子称为引力子（graviton），但至今仍未发现其踪迹。更令人沮丧的是，尝试用量子场论来描述引力子会导致无意义的答案。 量子力学的诞生对经典物理是颠覆性的，在这个领域中的一切都是关于概率，而不再是完全确定的状态。 可以想象量子力学给物理学家们带来的震撼，在他们看来，他们已经将上帝赶出了历史舞台，他们可以解释大自然所发生的一切，甚至主宰这个世界。可是，突然有人说，物理学不能预测电子的行为，它只能找到电子出现的概率而已。于是乎物理学一夜之间从上帝的“替代者”变成了一位掷骰子的“赌徒”。 相对论认为：偶然不存在，一切现象都是决定性的。爱因斯坦那句“上帝不掷骰子”，就是从这来得，认为宇宙一切事物都是可测量和预测的，只要知道这一刻宇宙的所有信息，有一台强大的计算机就可以推测出N年后某一刻宇宙的详细状态，每个星体的位置。 量子力学则认为偶然无处不在，根据现在所有的信息也不能推倒出绝对的未来。霍金对黑洞的研究表明，上帝不光玩色子，甚至有时候他会把我们弄糊涂，因为他把它们丢到了看不见的地方。黑洞连光都会被捕捉，黑洞的存在就是在宇宙中放了一块让人无法测量无法看见的地方。 相对论认为时空是活跃的，可弯曲的程度由物质的分布决定。但量子力学认为时空是静止和平坦的，不受物质的影响。 相对论认为引力是有时空弯曲造成的效应，但量子力学认为引力是时空中的粒子交换。 相对论认为真空中没有能量，量子力学认为真空中充满了巨大乃至无限的能量。 比如黑洞的质量极其巨大，因此它们受相对论相关定律的制约；同时，黑洞占据的空间又极其微小，因此它们隶属量子力学的领域。两套理论体系在黑洞的中心猛烈碰撞，冲突由此而起。 质量巨大的黑洞充塞于体积为0的空间中，致使周围区域无限扭曲，它的无穷之0在光滑的橡胶板上刺出一个空洞。广义相对论的方程对此等尖利锋锐的0束手无策。在黑洞的范畴里，空间与时间毫无意义可言。 量子力学的定律将电子之类的微粒视为一个个点，也就是说，它们不占据任何空间。电子是0维物体，其类似于0的本质使得科学家无从得知电子的质量或者电荷量。 但根据量子力学的法则，0维的电子具有无穷大的质量和电荷量。严格来说，量子理论中所有微粒与微粒之间的互动都涉及无穷，因为它们都是奇点。 想摆脱0并不是一件容易的事情，因为它一再出现于时间和空间中。黑洞是0维的，电子一类的微粒亦是如此。电子和黑洞都是真实存在的，物理学家不可能大手一挥就把它们抹除殆尽。但是，科学家可以赋予黑洞和电子一个额外的维度。 这就是弦理论创建的缘由。物理学家坚信有一个能兼容相对论和量子物理理论的崭新理论，叫作“T. O. E.”也就是英文“Theory of Everything”的首字母简写，中文叫作“万物理论”。这个T.O.E能够解释我们已知的所有尺度的物理现象，而且不管是牛顿物理还是相对论还是量子物理，都是这个万物理论的近似理论。 二、弦理论的基本原理 黑洞是0维的，电子一类的微粒亦是如此。电子和黑洞都是真实存在的，物理学家不可能大手一挥就把它们抹除殆尽。但是，科学家可以赋予黑洞和电子一个额外的维度。 这就是弦理论创建的缘由。 该理论诞生于20世纪70年代，它提出，自然界的基本单元不是电子、夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或闭弦），闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。点振成线，线振成面，面振成体…宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。物理学界发现如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子，那么它们之间的核作用力就能精确地用欧拉函数来描写。假如把电子（以及黑洞）当作一维物体（比如圈状的闭合弦）而非0维物体（比如点）来对待，相对论和量子力学中的无穷将会奇迹般地消失匿迹。 最早期的弦论叫做玻色弦理论，玻色弦理论是最简单的一个弦论的模型，它最重要的物理图像是认为物理粒子不是单纯的点粒子，而是由于弦的振动产生的激发态。显然它有很大的缺点，其一是它只简单描述标量玻色子，没有将费米子引入框架内；其二没有包含一般量子场论中的规范对称性；其三是当研究它的质量谱时候发现，它的真空态是一组质量平方小于零的不稳定快子。所有这些问题在推广到超弦理论后得到很好的解释。 而“弦理论”这一用词所指的原本包含26维的玻色弦理论，和加入超对称性的超弦理论。在近日的物理界，“弦理论”一般是专指“超弦理论”，为了方便区分，较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。 1990年代，受对偶性 (弦论)的启发，爱德华·维腾猜想存在一11维的M理论，他和其他学者找到强力的证据，显示五种不同版本的十维超弦理论与十一维超重力论其实应该是M理论的六个不同极限。这些发现带动了第二次超弦革命。 超弦理论认为，任何基本粒子都不是一个点，而是一根闭合的弦，当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子。宇宙中的所有物体都是由这些长10^-33厘米的弦组成的，把它的大小与一个中子的大小进行对比就如同拿中子与我们定居的太阳系相比那样悬殊。从我们人类的角度看，圈状的闭合弦就像一个点，因为它们实在太小了。比这些弦还小的距离（和时间）将不再重要，它们不具备物理意义。而我们这个宇宙是一个十维的宇宙，但是有六个维度紧紧蜷缩了起来。就像远远地看一根吸管，它细得就像一条一维的线，但是当我们凑近一看，发现它其实是一根三维的管，其中的二维卷起来了。那六个维度的空间收缩得如此之紧，以至于必须要放大一亿亿亿亿多倍（1后面34个零）才能发现，其实所有的粒子都不是一个点，而是一个六维的“橡皮筋圈”，不停地在空间中振动，演奏着曼妙的音乐。 若把黑洞想象成一段弦，物体通过裂缝落在时空结构上的情况就再也不存在了。相反，靠近黑洞弦的微粒弦伸展开去，并与黑洞弦接触，两段弦颤抖着撕裂，而后融汇形成一个圈——一个质量增加了少许的黑洞。 弦理论将把量子力学和相对论融合为一个统一的整体，并形成一套量子引力理论——一套旨在解释宇宙间所有现象的理论。 弦理论需要至少十个维度才能建立一个理论框架，让引力与量子力学互相兼容。如今，科学家认为，所有这些相互抵触的理论存在一个共同的庞大理论根基——M理论。该理论构筑在11维空间的基础上，而非10维空间。 弦理论会吸引这么多注意，主要是因为它很有可能会成为大统一理论。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。除了引力之外，它很自然的成功描述各式作用力，包含电磁力和自然界存在的其他各种作用力。超弦理论还包含组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙，这还是未知数。至今研究员仍未能找到一个弦论模型，其低能极限为标准模型。 三、弦理论的问题 在未获实验证实之前，弦理论是属于理论物理或哲学的范畴，不能完全算是物理学。无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。 科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了，这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据，因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已，不过这至少表示研究方向还不是错误的。 但我们要承认，弦理论的思想为物理学带来了一个建议上超越标准模型的巨大影响。例如，虽然超对称性是组成弦理论的重要一部分，但是那些与弦理论没有明显联系的超对称模型，科学家们也有研究。 因此，如果超对称性在大型强子对撞机中被侦测到，它不会被看做弦理论的一个直接证明。然而，如果超对称性未被侦测出，由于弦理论中存在只有以更加更加高的能量才能看出超对称性的真空，所以它的缺乏不会证明弦理论是错误的。相反，如果日食期间观测到太阳的引力未使光按预测的角度偏转，那么爱因斯坦的广义相对论将被证明是错误的。实验证明了广义相对论的正确性。 物理学中，弦理论有关应用的一个中心问题是，弦理论最好的理解背景保存着大部分从“时不变的时空”得出的的超对称性潜在理论。目前，弦理论仍无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题。有科学家认为，超弦理论用无穷小的细弦替换基本粒子，来调和那些描述引力和量子世界的理论之间的矛盾。弦太过微小，无法使用现代技术对其进行探测。然而，一些人争辩说，无论实验能否对其结果进行测量，弦理论都是一个值得追求的理论。 弦（或者称为膜）小到当下的任何仪器设备都无法证实它的存在。若想观测到弦或卷缩的额外维度，我们需要建造一座周长600万亿英里（约966万亿公里）的粒子加速器。即便是以光速飞驰，一个粒子也需要至少1000年才能绕完该设备一圈。科学的根基就在于观察与实验，所以有些批评者就尖锐地指出，弦理论只是一门哲学而非科学。比如根据弦理论，马尔达西纳提供了破解量子引力之谜的线索：将引力视为量子全息图产生的幻觉。 西尔克和埃利斯还引用了另一个似乎已抛弃“波普尔主义”的理论：多重宇宙理论。多重宇宙理论认为，大爆炸产生了多个宇宙，其中大多数与我们的宇宙完全不同。 加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论物理学家大卫· 格罗斯对这两种理论进行了区分。他认为，弦在原则上是可被测试的，因此弦理论当然是完美的科学理论。而多重宇宙的概念就棘手多了，因为从我们的宇宙根本观察不到它假设的宇宙，甚至在理论上也不可能观察到。“仅凭当前无法对其进行检测就认定(弦理论)不是科学实在荒谬至极。”格罗斯说。 这本书写成于二十年前，如书中所说，弦理论将一些现已存在的理论以一种巧妙的方式结合在一起，并对黑洞和微观粒子的运行规律做出预测，但即使到了二十年后的今天，这些预测仍然无法通过观测得到证实，也无法通过实验进行确认。弦理论或许不存在数学层面的矛盾或漏洞，甚至在数学上它是十分美丽的，但很多科学家仍然认为它还称不上是一门科学。

终于看完了！这是一本非常好看但是又特别难读的书，我感觉我起码看睡着了20次，助眠好物来的。 实际上此书非常清晰明了且系统地讲清楚了麦克斯韦之后的物理学发展历程，用语质朴通俗，举例简单易懂，并且没有繁复的数学阐释（并不代表在数学上不严谨），对于高中毕业后就没有接触过物理的人来说实在是一剂特别好的补药。 看到最后才发现译者在我的家乡完成了这本书的翻译，而他写下重印后记的那一天恰好是我生日的前一天，在宿命论的角度看来，从他写下后记的第二天起，我就注定要读这本书，写下这些话了。 ps.总有一些人要牵强附会地把东方哲学（儒家道家禅宗etc）和现代物理扯在一起，然后发表一些老祖宗真是太厉害啦的感慨，实际上二者的真实含义之间有0个含义，这写书评让人非常无语

这大概是介绍弦理论最出名的书之一吧，没能力看得很明晰，因为有些概念太过专业，面向大众的话偏复杂，但依然是本了解弦理论的优秀科普，虽然它的年代不算新，所以现在不知道有没有取得一些新的进展。 之前对弦理论不甚了解（只从霍金的书里有过一瞥，他曾简单提及过），直觉会很复杂，看了书之后发现果然不简单，但是却有种优美的基调，因为它作为终极理论的候选者，蕴含着巨大的潜力。 作为一个几乎为纯理论研究，实验和计算难度大的理论，弦理论科学家付出的心血和艰辛可想而知，从最初的少人问津到后来的曙光乍现，弦理论也吸引了越来越多科学家去投入，我觉得非常神奇，因为它不像有的理论可以去用实验不断证实，不过这也证明了科学家对它的巨大期望，因为它在很多方面（特别是遗留的很多物理难题）都有着绝妙的优势和解释，一旦能被证实，那将会解决广义相对论和量子力学不相容的历史老大难问题，意味着它可能可以解释所有的一切，包括基本粒子（弦）各种性质产生的原因，黑洞的奇点和大爆炸的起始，我们的世界何以为现在这个样子，名副其实的终极理论。 当然，科学家们也知道，也许他们会走向歧途，也许永远找不到所谓的终极理论，那么，他们会停下继续探索的脚步吗？每个人心中都知道，在探索的路途上，一旦启程就注定不会停止。

阅读物理科普书的一个技巧在于对书本中出现的抽象概念不要从字面意义去理解或用还原论的思维试图探究这些概念的深层原因，费曼说事物的名字不重要，重要的是事物的特征。 比如“色荷”、“电荷”、“自旋”、“光速不变”等词汇，当你试图理解为什么光速会不变，自旋是否对应宏观物体的自转，色荷究竟是什么东西等等就会陷入困惑。聪明的做法是不去纠结为什么，而是把这些抽象感念当做理解的基础，重点要理解自旋有什么特征，色荷有什么特征。 抽象概念之所以抽象就是因为不符合人类长期在宏观低速状态下形成的直觉，高速运动状态下的生物可能会无法理解低速运动下生物的想法，微观世界的生物也无法理解宏观生物的观点。

人类之所以要攀爬高山，只是因为高山就在那里，正如登山家乔治·马洛里的回答：“Because it’s there.” 人类凭着探索未知的本能，孜孜不倦地去探索浩瀚的星海，书中的最后一段文字说，我们在生活中不断地寻求真相，其实和人类想要知道宇宙的真相一样。宇宙学研究的是从 10^26米尺度的星系，到 10^-35米尺度的普朗克长度。而人的一生，不过几十年、几万天，而在这短短的一生里，每个人都在寻求自己的真理。 也许人类认识的边界会是一道永远无法翻越的屏障，也许我们永远也不会明白宇宙的真相、时间的来源…但是只要还有人愿意抬头望向星空，愿意低头审视自己的内心，这种探索就不会停止。