宇宙方程：6弦理论的崛起、希望和问题

之前，我们已经看到，1900年前后，物理学有两个重要的支柱：牛顿的万有引力定律和麦克斯韦的光学方程。爱因斯坦意识到这两个伟大的支柱存在冲突，其中之一或许会倒塌。牛顿力学的衰落推动了20世纪伟大的科学革命。

今天，历史可能正在重演。再一次，我们出现了两个伟大的物理学支柱。一方面，我们有了宏观层面的爱因斯坦引力理论，它给了我们黑洞、大爆炸和不断膨胀的宇宙。另一方面，我们有了微观层面的量子理论，它解释了亚原子粒子的行为。问题在于，它们仍然存在冲突，它们基于两种不同的原理、数学和哲学依据。

我们期望的下一次伟大革命是这两大支柱的统一。

这一切始于1968年，当时，两位年轻的物理学家加布里埃尔·维尼齐亚诺（Gabriele Veneziano）和铃木真彦（Mahiko Suzuki）浏览数学书籍时，偶然发现了数学家欧拉在18世纪建立的一个奇怪的公式。这个奇怪的公式似乎描述了两个亚原子粒子的散射。18世纪的抽象公式怎么可能描述原子击碎装置的最新结果呢？

后来，包括南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、霍尔格·尼尔森（Holger Nielsen）和莱昂纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）在内的物理学家意识到，该公式的特性是描写了两个弦的相互作用。很快，这个公式被推广到表示多弦散射的一整套方程式。实际上，这正是我的博士论文，计算了任意数量的弦的完整相互作用集，后来的研究者又将自旋粒子引入了弦理论。

弦理论就像一口油井，突然喷涌出了许多新的方程式。我个人对此并不满意，因为自从法拉第以来，代表物理学的一直是简明扼要地总结大量信息的各种场。相比之下，弦理论是不相干的方程式的集合。然后，我和同事吉川圭二（Keiji Kikkawa）成功地用场论语言编写了全部的弦理论，并创建了所谓的弦场理论[1]。整个弦理论完全可以利用我们的理论总结为一个短小的场论方程式。

由于大量新的方程式的出现，新的图景展开。为什么会有这么多粒子？像2 000年前的毕达哥拉斯那样，弦理论说，每个音符（弦的每个振动）都代表一个粒子。那么，电子、夸克、杨-米尔斯粒子不过是同一根振动弦上的不同音符。

促使该理论变得强大且有趣的是，引力被包括在内。在没有任何额外假设的情况下，引力子是弦的最低阶振动之一。实际上，即使爱因斯坦从未出生，也可以仅通过观察弦的最低振动来发现他的整个引力理论。

正如物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）所说：“弦理论极具吸引力，所有已知自洽的弦理论都包含引力。众所周知，引力在量子场论中是不可能的，但在弦理论中却是必不可少的。”

不过，随着弦理论的发展，越来越多的、奇妙的、出乎意料的特征开始显现。例如，人们发现，该理论只能存在于十维时空里！

这震惊了物理学界，因为没人见过这样的东西，任何理论都可以用自己喜欢的任何维度表达。实际中，由于我们生活在显著的三维世界，理解四维以上的理论会显得困难。（我们只能向前、侧面、上下移动。如果增加时间，则需要四个维度来定位宇宙中的事件。例如，我们想在曼哈顿与某人相见，我们会说，我们在第五大道42街的拐角处见面，位置10楼，时间中午。但是，无论如何尝试，我们也无法将维度继续扩展到四维以上。实际上，我们的大脑甚至无法想象如何在更高维的时空中运动。因此，高维弦理论的研究只能使用纯数学完成。）

在弦理论中，时空的维度被固定为十维。在其他维度的时空中，弦理论的数学表达会出现故障而失败。

物理学家在得知弦理论假设人类生活在十维宇宙时表现出的震惊，我至今仍记忆犹新。大多数物理学家认为，这证明了该理论是错误的。曾经，弦理论的主要奠基人之一约翰·施瓦兹（John Schwartz）在加州理工学院的电梯里与理查德·费曼相见时，后者激动地问道：“好吧，约翰，你今天的世界是几维的？”

然而，这些年来，物理学家开始逐渐证明所有与之对立的理论都存在致命的缺陷。例如，许多理论由于量子修正无穷大或异常（数学上不自洽），被排除在外。

随着时间的流逝，物理学家开始对下述想法充满兴趣，即我们的宇宙可能是十维的。1984年，约翰·施瓦兹和迈克尔·格林（Michael Green）证明了弦理论没有之前困扰统一场论候选者的所有问题。

如果弦理论是正确的，那么，我们的宇宙可能最初是十维的。十维宇宙不稳定，其中六个维度以某种方式卷曲而变小，无法被人们观测。因此，我们的宇宙可能是十维的，只是我们的原子太大而无法进入那些微小的更高的维度。

使弦理论保持活力的一个关键因素是，它成功地结合了物理学的两个伟大理论，广义相对论和量子理论，为我们提供了一种有限的量子引力理论，这让人们感到兴奋。

之前，我提到过，如果将量子修正添加到量子电动力学或杨-米尔斯粒子上，会出现数不胜数的无穷大，必须谨慎而乏味地努力消除它们。

然而，当我们尝试强行结合相对论和量子理论这两个自然界的伟大理论时，所有的努力都遭到了失败。我们将量子原理应用于引力时，必须将引力分解为量子化的能量包，即量子包，一般称为引力子。然后，我们计算这些引力子与其他引力子以及与物质（例如电子）的碰撞。事实是，当我们这样做时，费曼和胡夫特设想的各种窍门都遭遇了惨败。引力子与其他引力子相互作用引起的量子修正为无穷大，物理学家所知的所有方法全部失效。

这里，恰是下一个魔术的出现地，弦理论可以消除困扰物理学家近一个世纪的棘手的无穷大，这种魔术通过对称性展现。

从历史的角度看，一般认为让方程具有对称性总是不错的选择，但它只是个罕见而非必需的性质。但在量子理论中，对称性是物理学的最重要特征。

正如已经证实的，当我们计算理论的量子修正时，这些量子修正通常是发散的（无穷大）或异常的（违反了原来的理论的对称性）。物理学家仅在过去的几十年才意识到，对称性不仅是理论中令人愉悦的特征，还是理论的主要成分。对称的理论，通常可以消除困扰非对称理论的发散和异常。对称是物理学家用来征服量子修正释放出的“屠龙刀”。

图11　两个引力子的碰撞和两个弦的碰撞。在计算两个引力子的碰撞时（上图），答案是无穷大（有无限的项），因此无意义。但是，当两个琴弦相撞时（下图），我们可以得到两个项，一项来自玻色子，一项来自费米子。在弦理论中，两项完全抵消，这有助于创建一个有限的量子引力理论。

正如我们前面提到的，狄拉克发现，他的电子方程式预测到电子具有自旋特性（这是方程式的数学特征，类似于我们在周围看到的熟悉的自旋）。后来，物理学家发现，所有亚原子粒子都有自旋特性。物理学家发现，自旋有两种类型。

在某些量子元素中，自旋可以是整数（如0、1、2）或半整数（如1/2、3/2）。首先，具有整数自旋的粒子描述了宇宙的力，例如光子和杨-米尔斯粒子（自旋1）以及引力子（自旋2）。这些粒子被称为玻色子［以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）命名］。因此，自然力是由玻色子介导的。

其次，具有半整数自旋的粒子描述了宇宙中的物质，例如电子、中微子、夸克（自旋为1/2）。这些粒子被称为费米子（以恩里克·费米命名），我们可以从中建立原子的其他粒子：质子和中子。因此，构成我们身体的原子是费米子的集合。

两种亚原子粒子

本吉·萨基塔（Bunji Sakita）和让-卢普·格维（Jean-Loup Gervais）证明了弦理论具有一种新型的对称性，超对称性。从那时起，超对称性得到了推广，现在它已成为物理学上有史以来最大的对称性。正如我们强调的，物理学家的美是对称性，它使我们能找到不同粒子之间的联系。然后，我们可以通过超对称性统一宇宙的所有粒子。正如我们强调的，对称性重新排列了目标客体的组成部分，原始客体则保持不变。这里，我们正在重新排列方程式中的粒子，以使费米子与玻色子互换，反之亦然。这成为弦理论的中心特征，因此整个宇宙的粒子可以相互重新排列。

这意味着每个粒子都有一个超级伙伴，称为超粒子或超级粒子。例如，电子的超级伙伴称为超电子，夸克的超级伙伴称为超夸克（或超对称性夸克），轻子（如电子或中微子）的超级伙伴称为超轻子（或伴轻子）。

在弦理论中，一些了不起的事情出现了。在计算弦理论的量子修正时，出现了两个不同的贡献。第一，来自费米子和玻色子的量子修正，它们大小相等符号相反。某一项可能为正号，一定有另一项为负号。实际上，将它们相加，这些项会相互抵消，从而得出有限的结果。

相对论与量子理论的结合困扰了物理学家近一个世纪，但费米子和玻色子之间的对称性（称为超对称性）使我们可以彼此抵消掉许多无限项。不久，物理学家发现了消除这些无限项的其他方法，得出了有限的结果。因此，围绕弦理论的激动人心的观点冒了出来：将引力与量子理论统一。没有其他任何理论可以做到此事，它可能满足了狄拉克的原始宗旨。在这里，我们看到，弦理论无须重整化就已经是有限的了。

第二，这也许能实现爱因斯坦本人曾设想的图景，他曾将引力理论比作光滑、优雅、抛光的大理石。但是，相比之下，物质更像木头，呈现出无规则的几何形态（粗糙的树干、长着木瘤）。他的目标是最终创建一个统一的理论，将大理石和木材结合成一个单一的形式，即创建一个完全由大理石构成的理论，那是爱因斯坦的梦想。

弦理论可以完成这幅图景。超对称可以将大理石变成木材，反之亦然，它们成为同一枚硬币的两个面。在此图景中，大理石以玻色子为代表，木材以费米子为代表。尽管自然界中没有超对称性的实验证据，但它实在太优雅，以至于激发了物理学界的想象。

史蒂文·温伯格曾说，“尽管这些对称性对我们来说是隐藏的，但我们可以感觉到它们在自然界中是潜伏的，统治着我们周围的一切。这是我知道的最令人兴奋的想法：自然界比看起来简单得多。”

感谢物理学家的杰出工作，我们现在认识到，对称性或许是统一宇宙所有定律的关键：

·对称性使秩序井然有序。在化学元素和亚原子粒子的一片混乱中，门捷列夫元素周期表和标准模型能以整齐、对称的方式重新排列它们。

·对称性有助于填补空白。对称性能将旧理论中的空白抽出，从而预测新型元素和新型亚原子粒子的存在。

·对称性意外地将看似无关的研究对象统一了起来。对称性找到了时间和空间、物质和能量、电和磁，以及费米子和玻色子之间的联系。

·对称性揭示了意想不到的现象。对称性预示了反物质、自旋夸克等新现象的存在。

·对称性消除了可能破坏理论的不良后果。量子修正通常具有灾难性的发散和异常，对称性可以将它们消除。

·对称性改变了原来的经典理论。弦理论的量子修正是如此严格，以至于实际上改变了原来的理论，从而确定了时空的维度。

人们相信，时间之初只有一个力——超力，其对称性包括了宇宙的所有粒子。超力不稳定，对称性开始破裂。首先分离出来的是引力。然后，强力和弱力紧随其后，最后是电磁力（见图12）。

图12　对称性的逐渐破裂

因此，今天的宇宙看起来支离破碎，各种力似乎大相径庭。如何将这些碎片重新组装成一个单一的力成为了今天物理学家的主要工作。

超弦理论利用了所有这些特征，它的对称性是超对称性（可以交换玻色子和费米子的对称性）。反之，超对称性是物理学中发现的最大的对称性，能统一宇宙中所有的已知粒子。

我们还需要完成弦理论的最后一步，即找到它的基本物理原理（如何从单个方程式推导出整个理论）。1995年刮来了一阵“冲击波”，当时，弦理论经历了一次变形，出现了一种称为M-理论（膜理论）的新理论。之前的弦理论的问题在于，存在五个不同版本的量子引力，每个版本都是有限的且定义明确。因此，五种弦理论看起来非常相似，只是自旋排列略有不同。于是，人们开始发问：为何有五个？众所周知，大多数物理学家认为，宇宙应该是唯一的。

物理学家爱德华·威滕发现，实际上存在着一个隐藏的十一维理论，称为M-理论，它基于膜（例如球体和“甜甜圈”的表面）而非仅基于弦存在。他能够解释为何会有五种不同的弦理论，因为有五种方法可以将十一维的膜折叠成十维的弦。

换句话说，弦理论的所有五个版本都是同一个M-理论的不同数学表达。（因此，实际上，弦理论和M-理论是相同的理论，弦理论是将十一维的M-理论缩减为十维的理论。）不过，一个十一维理论是怎样产生五个十维理论的呢？

例如，我们可以想象一个沙滩球，如果我们放出球里的空气，球会塌陷，逐渐变得像根香肠；如果我们放出更多的空气，香肠会变成一根细弦。因此，弦是变相的膜，空气被排出之后的膜。

我们从一个十一维的沙滩球开始思考，如何在数学上证明，有五种方法可以将其折叠成十维的弦。

或者，想象盲人第一次遇到大象的故事。第一位智者摸到大象的耳朵，宣称大象是扁平的且像扇子一样是二维的。第二位智者摸到尾巴，宣称大象像根绳子或一维的弦。第三位智者摸到一条腿，宣称大象是一个三维的鼓或圆柱体。实际上，后退一步，在三维空间，我们可以将大象视为三维动物。以此类推，五种不同的弦理论就像前述的耳朵、尾巴、腿，但我们仍未揭示出完整的大象——M-理论。

正如我们提到的，随着时间的流逝，人们发现了弦理论中新的层次。在1995年提出M-理论后不久，胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）在1997年得出了另一个惊人的发现。[2]

他通过展示曾被认为不可能的东西而震撼了整个物理学界：一个在四维空间描述亚原子粒子行为的超对称杨-米尔斯理论是某个十维弦理论的对偶，或者说它们在数学上等价。这使物理世界陷入了混乱。截至2015年，已有上万篇论文参考了上述成果，使它成为迄今为止高能物理领域最具影响力的文章之一。（对称性和对偶性相关，但不相同。当我们重新排列单个方程的组件时，对称性就会出现并保持不变。当我们证明两个完全不同的理论实际上在数学上等价时，对偶性就会出现。引人注目的是，这两个非常重要的性质，弦理论都有。）

正如我们看到的，麦克斯韦方程组在电场和磁场之间具有对偶性，即我们反转这两个场（电场、磁场）方程组保持不变。（我们可以从数学上看到这一点，因为EM方程通常包含E2+B2之类的术语，当我们将两个场彼此旋转时，它们保持不变，就像毕达哥拉斯定理一样。）同样，在十个维度上有五种不同的弦理论，可以证明它们是相互对偶的，它们实际上是变相的单个十一维M-理论。令人惊讶，对偶性表明两种不同的理论实际上是同一理论的两个面。

然而，马尔达西纳表明，还存在另一种对偶性，十维弦理论与四维杨-米尔斯理论之间的对偶性。这是出乎意料的拓展，但却具有深远的意义。这意味着在不同的维度中被定义的引力和核力之间存在着深远的、意想不到的联系。

通常，人们可以在相同维度的弦理论之间找到对偶性。例如，通过重新排列描述弦理论的各个项，我们经常可以将一种弦理论变成另一种弦理论。这在不同的弦理论之间创建了对偶网，所有的弦理论都定义在相同的维度上。但是，定义在不同维度上的两个对象之间存在对偶性是闻所未闻的。

这种对偶性对理解核力也具有深远的影响。例如，较早时，我们可以看到杨-米尔斯场描述的四维规范场理论能最好地诠释核力，但没人能找到杨-米尔斯场的精确解。然而，由于四维规范场理论可能是十维弦理论的对偶，这意味着量子引力可能是理解核力的关键。这是一个令人震惊的启示，因为这意味着弦理论可能是描述核力基本特征（例如计算质子的质量）的最好的理论。

这在物理学家之间造成了一些身份危机。那些专门从事核力研究的人将所有的时间都花在研究三维物体上，例如质子和中子，并常常嘲笑研究高维的物理学家。不过，由于引力和规范场理论之间出现了这种新的对偶关系，这些物理学家突然发现自己也很想学习有关十维弦理论的全新知识，这可能是理解四维核力的关键。

从这种奇怪的对偶性中又涌现出了一项出乎意料的发展，全息原理。全息图是一些二维的塑料平板，其中包含了经过特别编码的三维对象的图像。用激光束照射平面屏幕时，三维图像会突然出现。换句话说，创建三维图像所需的所有信息已经利用激光编码到平面二维屏幕上了。

该原理也适用于黑洞。正如我们之前介绍的，如果将百科全书放到一个黑洞中，根据量子力学，书籍中包含的信息不会消失。那么，信息去了哪儿？一种理论认为，它分布在黑洞的视界的表面。因此，黑洞的二维表面包含着已扔入其中的所有三维对象的所有信息。

它还会影响我们对现实概念的理解。当然，我们确信自己是可以在空间中移动的三维客体，由三个数字（长度、宽度、高度）定义。但这也许是一种幻觉，也许我们只是生活在全息图中。

也许，我们经历的三维世界只是现实世界的影子，而现实世界是十维或十一维的。当我们在三维空间中移动时，其实我们所体验的是实际的自我在十维或十一维时空中的移动。如同沿着街道行走时，我们的阴影跟随我们并像我们一样移动，阴影只存在于二维空间。以此类推，也许我们的影子在三维空间中移动，但真正的自我在十维或十一维时空中移动。

我们看到，随着时间的推移，弦理论揭示了新的、出乎意料的结果。这意味着我们对其背后的基本原理还不够了解。最终，我们也许会发现，弦理论或许不是真正的弦的理论，因为在十一维的弦可以表示为膜。

这就是为什么将弦理论与实验进行比较还为时过早的原因。一旦我们揭示了弦理论背后的真正原理，我们可能会找到一种测试它的方法，此后，我们也许能一劳永逸地解释它是万能的理论还是无能的理论。

尽管弦理论在理论上取得了成功，但它仍然有弱点。敢于像弦理论那样放出大话的任何理论必然会招来一大群批评者。人们会自然地想起卡尔·萨根的话：“出色的主张需要出色的证据。”我猜想，“令人难堪大师”沃尔夫冈·泡利也许会冷嘲热讽，他在听演讲时也许会说，“你的逻辑太混乱，以至于人们无法分辨这是胡说还是什么别的。”也许还会说，“我并不介意你的思维快慢，但当你发表论文的速度快于思维时，我会坚决地提出反对。”如果他还活着，他可能会将这些话用于弦理论。辩论是激烈的，以至于物理学界最聪明的头脑在这个问题上也出现了很大的分歧。1930年第六届伟大的索尔维会议上，爱因斯坦和玻尔在量子理论的问题上发生了争论，自那之后，科学界还从未目睹过今天这么大的分歧。

诺贝尔奖获得者在这个问题上也分持对立的立场。谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）写道：“数十年来，最出色和最聪明的人付出了巨大的努力，却没能得出一个，也无法预期很快会有一个可以验证的预测。”杰拉德·胡夫特甚至说：“围绕弦理论的兴趣可与‘美国电视广告’媲美，全是炒作和吹嘘，全无实质内容。”

一些人则称赞弦理论的优点。戴维·格罗斯（David Gross）写道：“爱因斯坦对此会感到满意，即便对结果不满意……至少对目标会感到满意。他本来希望有一个基础性的几何原则，但不幸的是，我们还没有真正理解这一原则。”

史蒂文·温伯格将弦理论研究比作人类历史上发现北极的努力。曾经，地球上所有的古代地图都有一个巨大的空洞——北极应该在那儿，但没人亲眼见过。在地球上的任何地方，所有罗盘针都指向这个神话般的地方。但是，传说中所有寻找北极的尝试都以失败告终。在古代水手的心中，他们知道，北极必然存在，但没人能证明这点。当然，也有人怀疑它的存在。事实是，经过几个世纪的推测，1909年，罗伯特·皮尔里（Robert Peary）终于真正踏上了北极。

弦理论的批评者格拉肖承认，在这场辩论中，自己的人数居于劣势。他曾在评论中说：“我发现自己是崛起的哺乳动物世界中的恐龙。”

瞄向弦理论的有几种主要的批评。批评家声称该理论全是炒作；美本身在物理学上是不可靠的指南；它预言了太多的宇宙；最重要的是，它是无法检验的。(www.xing528.com)

伟大的天文学家开普勒曾一度被美丽所迷惑。他迷恋这样一个事实，即太阳系类似于相互堆叠的规则多面体的集合。几个世纪以前，希腊人列举了其中的五个多面体（例如立方体、金字塔形等）。开普勒注意到，通过像俄罗斯玩偶一样将这些多面体依次放置在彼此之间，可以重现太阳系的某些细节。这是一个美丽的想法，但事实证明这是完全错误的。

最近，一些物理学家批评弦理论，认为美是物理学的误导性标准。弦理论具有出色的数学特性，但并不意味着它拥有真理的内核。他们指出，美丽的理论有时无济于事。

诗人们倒是经常引用约翰·济慈（John Keats）的诗《希腊古瓮颂》：

美丽即真理，真理即美丽，这就是
你所知道的地球上的一切
也是你所需要知道的一切

保罗·狄拉克是这个原则的追随者，他写道：“研究人员在努力以数学形式表达自然的基本定律时，应该主要为数学之美而努力。”实际上，他会写下，这是通过摆弄纯数学公式而非通过数据发现了自己那著名的电子理论。

在物理学中，美具有强大的力量，但美也常常使人犯错。正如物理学家萨宾·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）写道：“在成百上千有关统一力和新粒子以及额外对称性和替代宇宙的理论中，一些美丽的理论已被排除在外。所有的这些理论，第一是错误，第二是错误，第三还是错误。依靠美丽显然不是成功的策略。”

批评家声称，弦理论虽拥有美丽的数学，但它可能与物理现实无关。

这种批评有一定的道理，但人们也必须认识到，弦理论的各个方面（如超对称性）并非无用，也并非没有物理应用。尽管尚未找到超对称性的证据，但它已被证明对于消除量子理论中的许多缺陷至关重要。通过费米子与玻色子的相互抵消，超对称性能解决一个长期困扰人们的问题，消除了困扰量子引力发散的难题。

并非每一个美丽的理论都有物理上的应用，但迄今发现的所有的基本物理理论，无一例外地都包含了一种内在的美感或对称性。

无法检验是对弦理论最重要的批评。引力子拥有的能量称为普朗克能量，它比大型强子对撞机产生的能量大四千万亿倍。想象一下，试图建造一个其能力是目前的LHC能力四千万亿倍的LHC！人们可能需要一个银河般大小的粒子加速器来直接测试该理论。

此外，弦理论的每个解都是一个完整的宇宙，且似乎有无数个解。为了对理论进行直接检验，需要在实验室中创建“婴儿宇宙”！换句话说，似乎只有神才能真正地直接检验该理论，因为该理论是基于宇宙的，而不仅是基于原子或分子。

因此，乍一看，弦理论似乎在对于任何理论都需通过的严峻考验上失败了——可测试性，但弦理论的推动者并未因此而沮丧。正如我们已经确定的，大多数科学也得益于间接测量，如大爆炸的余晖（回声）。

同理，我们也可以寻找从十维和十一维传来的回声。也许弦理论的证据就隐藏在我们周围，我们需要倾听而不是尝试对弦理论本身的直接观察。

例如，来自超空间的一种可能的信号是存在暗物质。以前的人们普遍认为宇宙主要由原子组成，直到最近，天文学家惊奇地发现，宇宙中只有4.9%的部分由氢和氦等原子组成。实际上，大部分的宇宙是以暗物质和暗能量的形式存在，只是这些物质不能被直接观察。（暗物质和暗能量是两种截然不同的事物。宇宙的26.8%是由暗物质构成，它们是围绕银河系并阻止其飞散的不可见物质；宇宙的68.3%是由暗能量构成，神秘的它们驱使星系分离以避免坍缩。）也许，万能理论的证据都隐藏在这个看不见的宇宙中。

暗物质很奇怪，它是看不见的，但它能将银河系作为一个整体聚在一起。由于它重且没有电荷，因此如果你尝试将暗物质握在手中，它会穿过你的手指，就像手指从不存在一样。之后，它会掉落到地板上，穿过地球的核心，落到地球的另一侧。在这里，引力会最终导致其反转，并落回到你的位置。最后，它会在你与地球的另一侧之间振荡，似乎地球从不存在。

尽管暗物质很奇怪，但我们知道它一定存在。我们分析银河系的自旋并应用牛顿定律时就会发现，没有足够的质量来抵消离心力。只考虑我们能看见的质量，宇宙中的星系会非常不稳定且快速飞散，但它们却稳定存在了数十亿年。因此，我们有两种选择：要么认为，牛顿方程应用于星系时是不正确的；要么认为，存在一种看不见的物质维持着星系的现状。

目前，暗物质的一类领先候选者是大质量弱相互作用粒子。其中，光微子是一种可能性，即光子的超对称伙伴。光微子稳定、质量大、不可见且不带电荷，符合暗物质的特征。物理学家相信，地球会在无形的暗物质风中移动。此时，暗物质风可能正在穿透你的身体。如果光微子与质子发生碰撞，可能导致质子破碎成亚原子粒子簇，后者可以被检测到。实际上，今天，仍然有许多泳池大小的大型检测器（含有氙和氩的大量液体）在工作，也许有一天，我们能捕获到由光微子碰撞产生的“火花”。现在，大约有20个研究小组正在寻找暗物质，他们通常工作于地球表面以下的矿井内部，远离起干扰作用的宇宙射线的相互作用。因此，可以想象，暗物质的碰撞确有可能被我们的仪器捕获。一旦检测到暗物质的碰撞，物理学家会研究暗物质颗粒的性质，然后将其与光微子的预测性质进行比较。如果弦理论的预言与暗物质的实验结果相符，这将有助于说服物理学家相信这是条正确的途径。

另一种可能性是，利用正在讨论中的下一代粒子加速器来制造光微子。

日本正在考虑修建国际直线对撞机（ILC），该直线对撞机将沿直管发射电子束，直到撞到反电子束。如果获得批准，该设备将在12年内建成。这种对撞机的优点在于它使用的是电子而不是质子。由于质子是由胶子黏合在一起的三个夸克组成，因此质子之间的碰撞非常凌乱且会产生大量无关紧要的粒子。相比之下，电子是单个基本粒子，与反电子的碰撞更干净，所需的能量也更少，只需要2 500亿电子伏特就能制造出希格斯玻色子。

中国也有建造环形正负电子对撞机（CEPC）的兴趣。工程或于2022年启动，2030年完成，耗资50亿—60亿美元。它获能达到2 400亿电子伏特的能量，一圈长度大约为100公里。

欧洲核子研究中心的物理学家也不甘落后，正计划大型强子对撞机的后继者，称为“未来环形对撞机”（FCC）。最终，它获能达到惊人的1 000 000亿电子伏特的能量，一圈长度大约为100公里。

目前，尚不清楚这些加速器是否会被最终建造出来，但这确实意味着有希望在大型强子对撞机之后的下一代加速器中找到暗物质。如果发现了暗物质的粒子，我们可以将它们与弦理论的预测进行比较。

这些加速器可能会验证弦理论的另一项预测，微型黑洞的存在。由于弦理论是万能理论，它包括了引力以及亚原子粒子，因此物理学家期望在加速器中发现微型黑洞。（微型黑洞与恒星黑洞不同，它们是无害的，且具有微小的亚原子粒子的能量，而不是垂死的恒星的能量。实际上，地球一直受到宇宙射线的轰击而未受到任何有害影响，宇宙射线的能量远大于加速器所能产生的能量。）

还有一种希望，我们可以思考宇宙中最大的原子粉碎机，大爆炸本身。大爆炸的辐射可能为我们提供了暗物质和暗能量的线索。首先，大爆炸的余晖或回声可以被检测。我们的卫星已经能够以极高的精度检测到这种辐射。

据大爆炸的微波背景辐射照片显示，它非常平滑，表面上有微小的波纹。这些波纹转而代表了在大爆炸瞬间存在的微小量子涨落，它们随后被爆炸放大了。

然而，背景辐射中似乎存在着我们无法解释的不规则或斑点，学界在这方面一直存在争议。有人推测这些奇怪的斑点是与其他宇宙碰撞的残余。特别是，宇宙微波背景上的冷点是均匀背景辐射上的反常低温的标记。一些物理学家推测，这可能是在时间之初我们宇宙与平行宇宙之间某种形式的连接或碰撞的残余。如果这些奇怪的标记代表了我们宇宙与平行宇宙之间的相互作用，那么，怀疑论者可能会对多元宇宙理论更认可。

人类已经计划将探测器放置在太空，从而利用空间引力波探测器来改善所有的这些计算。

早在1916年，爱因斯坦就证明了引力能以波浪的形式传播。爱因斯坦预言，引力的膨胀将以光速行进，就像在池塘中扔石头并目睹其形成的同心圆环一样。不幸的是，它们太微弱，以至于他认为我们不会很快找到它们。

爱因斯坦说得很对。直到2016年，人们才观测到引力波。巨大的探测器捕获了大约十亿年前在太空中相撞的两个黑洞发出的信号。这些探测器分别建在路易斯安那州和华盛顿州，每个探测器平均占地几平方英里。它们类似于一个巨大的“L”字，激光束沿“L”的每条“腿”向下传播。当两束光在中心相遇时，它们会产生对振动非常敏感的干涉图样，以至于可以检测到这种碰撞。

三位物理学家雷纳·魏斯（Rainer Weiss）、基普·S.索恩（Kip S. Thorne）、巴里·C.巴里什（Barry C. Barish）因其开创性的工作获得了2017年的诺贝尔奖。

为了获得更高的灵敏度，人们计划将引力波探测器发送到外太空。这个项目被称为激光干涉空间天线（LISA），它也许能够检测到来自大爆炸那一瞬间的振动。激光干涉空间天线的一个版本由太空中的三颗卫星组成，不同卫星通过激光束网络相互连接。三角形的两边约100万英里（约160万公里）。当来自大爆炸的引力波撞击检测器时，它会使激光束产生一点抖动，人们可以通过灵敏的仪器对其测量。

最终目的是记录来自大爆炸的冲击波，回放录像以获得对大爆炸之前的辐射的最佳猜测。然后将这些大爆炸之前的波与几种版本的弦理论的预测进行比较。这样，人们也许能够获得有关大爆炸之前的多元宇宙的数据。

使用比激光干涉空间天线更先进的设备，人们也许可以获得宇宙的婴儿时期的图像，也许能找到连接“婴儿宇宙”（我们的宇宙）与某个双亲宇宙的脐带的证据。

另一个常见的反对弦理论的意见是，该理论需假定人们实际上生活在十维或十一维时空中，但这缺乏实验证据。

事实上，可以利用现成的仪器操作。如果我们的宇宙是三维的，引力会随着分开距离的平方而减小。牛顿的这一著名定律引导我们的太空探测器以惊人的精确度飞行了数百万英里。同理，如果愿意，我们可以发射一个太空探测器去穿越土星环。不过，牛顿著名的平方反比定律多在天文距离上进行过计算，鲜于在实验室中。如果小距离上的引力强度不服从平方反比定律，则表明存在更高的维度。例如，如果宇宙具有四个空间维度，则引力应按分开距离的立方而减小。同理，如果宇宙具有N个空间维，则引力应按分开距离的“N-1”次方而减小。

我们很少在实验室中测量两个物体之间的引力。这些实验非常难做，因为实验室中的引力太小。后来，人们在科罗拉多州进行了首次测量，结果是否定的，即牛顿的平方反比定律仍然成立。（但这也许只意味着，在科罗拉多州没有增加的维度。）

对理论物理学家来说，一切批评都是麻烦的，但都不致命。然而，现实给理论物理学家带来的问题是，该模型似乎预言了由平行宇宙构成的多元宇宙，且其中的许多宇宙比好莱坞剧作家的想象力还疯狂。弦理论有无数个解，每个解都描述了一个表现良好的具有有限引力的宇宙，但和我们的宇宙都不太像。在许多的这样的平行宇宙中，质子不稳定，它会衰变成大量的电子和中微子云。在这些宇宙中，不存在我们熟悉的复杂物质（原子和分子），它们仅由亚原子颗粒气体组成。（一些人可能会争辩，这些可供选择的替代宇宙只在数学上具有可能性，并不真实。该理论无法告诉你，这些替代宇宙中的哪一个具有真实性。）

客观地说，这个问题并非弦理论独有。例如，牛顿或麦克斯韦方程组有多少个解？有无数个！真解取决于研究的内容。如果以一个灯泡或一个激光器为出发点去求解麦克斯韦方程，你将为不同设备找到独有的解。因此，麦克斯韦或牛顿的理论也有无数个解，真解取决于初始条件，即你求解时所具备的条件。

任何万能理论都可能存在这个问题。任何万能理论都会因初始条件而具有无数个解。但是，宇宙的初始条件如何确定？这意味着你必须从外部手动输入大爆炸的条件。

一些物理学家认为这是作弊。理想情况下，人们希望理论本身可以揭示引发大爆炸的条件。人们希望理论可以揭示一切，包括原始大爆炸的温度、密度、组成。一切理论都应该以某种方式包含其自身的初始条件。

换句话说，人们希望对宇宙的开始有一个独特的预测。弦理论可以预测我们的宇宙吗？可以！这个耸人听闻的宣言是一个世纪以来物理学家的目标。但是，它能预测宇宙只有一个吗？不能！这被称为景观问题。

这个问题有几种可能的解答，都未被广泛接受。有一种解答是人择原理，它说我们的宇宙是特殊的，因为在这里讨论这个问题的是作为有意识的生物的我们。换句话说，可能存在无数个宇宙，我们的宇宙是可以使智慧生命存活的宇宙。大爆炸的初始条件在时间之初就确定了，确定的初始条件是让今天的智慧生命得以存在，其他宇宙也许不存在有意识的生命。

我清楚地记得自己上小学二年级时首次听到的对这个概念的解释。我的老师曾说，上帝让地球与太阳的距离“恰到好处”。距离太近，海洋会沸腾；距离太远，海洋会结冰。即使是孩子，这个说法也令我震惊，因为它使用了纯粹的逻辑来确定宇宙的本质。今天，卫星已经揭示了4 000个围绕其他恒星运转的行星，大多数行星因距离恒星太近或太远而无法维持生命。因此，有两种方法可以分析我二年级老师的论据。也许，存在一位慈爱的上帝；也许，由于成千上万的死行星距离恒星太近或太远，而我们所处的星球恰恰适合智慧生命活动，从而让智慧生命可以就这个问题展开辩论。类似地，我们也可能共存于死寂的海洋，而我们的宇宙之所以特别，仅是因为我们在这里讨论这个问题。

人择原理使人们可以解释有关我们宇宙的一个奇怪的事，即自然的基本常数似乎经过微调以适应生命。正如物理学家弗里曼·戴森所写，宇宙似乎早已知道我们要来。例如，如果核力稍弱一些，太阳将永远不会被点燃，太阳系将是一片黑暗；如果核力更强一些，太阳将在数十亿年前被烧尽。因此，今天的核力似乎被调整得恰到好处。

类似地，如果引力稍弱一些，大爆炸将以“大冷冻”结束，留下一个死去的、冰冷的膨胀宇宙；如果引力稍强一些，我们会陷入“大崩溃”，所有生命都将被烧死。然而，我们的引力似乎被调整得恰到好处，它允许恒星和行星形成并持续足够长的时间，使生命如雨后春笋般涌现。

人们可以列举许多类似的偶然性，每次我们都恰到好处地处于最适合区域的中心，从而使生命得以存在。因此，宇宙似乎是一场巨大的全靠运气的赌局，而我们赢得了胜利。但是，根据多元宇宙理论，这意味着我们与大量已死亡的宇宙共存。

因此，也许人择原理确能从数百万个宇宙的景观中选择我们的宇宙，因为我们是这个宇宙中有意识的生命。

自1968年以来，我一直研究弦理论，所以我有自己的明确观点。无论你怎样看，该理论的最终形式尚未揭晓。因此，将弦理论与现今的宇宙进行直接比较还为时过早。

弦理论的特征之一，它是向后进化的，一路上不断揭示出新的数学和概念。每十年左右，弦理论就有一个新的启示，改变着我们关于弦理论本质的认知。我目睹了三场惊人的革命，但我们仍没能完整地表达弦理论。我们尚不知道其最终的基本原则。只有到了那时，我们才能将它与实验进行比较。

我喜欢将这个问题与在埃及沙漠中寻找宝藏作比较。假设有一天，你偶然碰上沙漠中突起的一块小石头，抹去黏在上面的沙子后，你意识到这个鹅卵石会不会是某个巨大金字塔的顶部。经过多年的挖掘，你发现了各种各样奇怪的房间和艺术品。在每个楼层，你都能找到新的惊喜。最后，在开挖了许多楼层之后，你到达了终极之门，你一定希望将其打开以探寻是谁制造了金字塔。

我个人认为，由于我们每次对理论做分析时都会不断发现新的数学层次，因此今天的我们仍未到达底层。在找到弦理论的最终形式之前，还有更多的层需要揭示。换句话说，该理论比我们更聪明。

可以用弦场理论的方程式来表达弦理论。但是，在十维时空中，我们需要有五个这样的方程式。

尽管我们可以用场论的形式表达弦理论，但不能表达M-理论。希望有一天，物理学家可以找到一个能包含M-理论的方程式。不幸的是，以场论形式表达膜（以多种方式振动）是困难的。因此，M-理论由数十个相互分离的方程式组成，它们奇迹般地描述了相同的理论。如果我们能以场论形式写出M-理论，那么，整个理论应该来自一个单一的方程。

没有人能够预测这种情况是否会发生、何时发生。在目睹了有关弦理论的各种信息之后，公众已经变得急躁不安。

即使在弦理论研究者中，对该理论的未来前景也有一定的悲观情绪。正如诺贝尔奖获得者戴维·格罗斯的话，“弦理论就像一座山顶。攀登者在山上攀爬时，顶部清晰可见，但越靠近山峰，顶部越后退。这个目标近得令人心痒，但似乎又总是够不着，总是差那么一丁点儿。”

我个人认为这是可以理解的，因为没人知道我们何时能在实验室中发现超对称性。同时，我们必须保持谨慎，理论的正确性取决于具体的结果，而非物理学家的主观愿望。我们都希望自己宠爱的理论在我们活着的时候得到证实，那是人类的深切渴望，但大自然有自己的时间表。

例如，原子理论花了两千年的时间才最终得到证实，直到最近，科学家才能够为单个原子拍摄生动的图片。即使是牛顿和爱因斯坦的伟大理论，许多预测也花了数十年的时间才得到充分的检验。黑洞最早由约翰·米歇尔于1783年预测，但直到2019年，天文学家才拼凑出有关其视界的第一张确凿照片。

我个人认为，许多科学家的悲观情绪可能是被误导了，该理论的证据也许并不需要在某个巨大的粒子加速器中找到，而是在数学表达中发现。

重点是，我们也许根本不需要弦理论的实验证明，万能理论也是普通事物的理论。如果我们能从第一原理中得出夸克和其他已知亚原子粒子的质量，那可能是有说服力的证据，证明这是万能理论。

根本不是实验的问题。标准模型具有手工输入的大约二十个自由参数（例如夸克的质量及其相互作用的强度）。我们有大量关于亚原子粒子的质量和耦合的实验数据。如果弦理论能够在没有任何假设的情况下从第一原理精确地计算出这些基本常数，我认为这将证明弦理论的正确性。如果宇宙的已知参数可以从一个方程式中得出，那将是一个真正的历史性事件。

但是，一旦有了这个方程式，我们将如何处理呢？我们将如何摆脱景观问题呢？

一种可能是，这些宇宙中有许多是不稳定的，会衰退并落入我们熟悉的宇宙。我们记得，真空并非是无聊的、毫无特色的事物。实际上，真空充斥着不断冒出和消失的泡沫宇宙，就像泡泡浴一样，霍金称其为时空泡沫。这些微小的气泡宇宙大多数都是不稳定的，从真空中跳出来然后跳回去。

同样，一旦找到了理论的最终表达，也许就能证明这些替代宇宙中的大多数都是不稳定的，会衰败并落入我们的宇宙。例如，这些气泡宇宙的自然时间尺度是普朗克时间，即10-43秒。这是非常短的时间，大多数宇宙只在短暂的瞬间存在。相比之下，我们的宇宙年龄是138亿年，在天文学上比大多数宇宙的寿命更长。换句话说，也许在景观中我们的宇宙是无数宇宙中特殊的一个。我们的宇宙比其他宇宙活得长久，这也是为什么我们能在今天讨论这个问题的原因。

不过，如果终极方程非常复杂，我们该怎么办呢？这样，似乎无法显示出我们的宇宙在宇宙的景观中的特殊性。那么，我认为我们应该将其放入计算机中。这是夸克理论采纳的方法。我们知道，杨-米尔斯粒子像胶一样将夸克结合成质子。但也许50年后，我们仍然不能在数学上进行严格的证明。事实上，许多物理学家已放弃了实现它的希望。取而代之的是，在计算机上求解杨-米尔斯方程。

这是通过将时空近似为一系列格点来完成的。通常，我们认为时空是一个光滑的表面，具有无数个点。当目标客体移动时，它们会经过无穷序列。我们可以用像网一般的网格或晶格类比这个光滑的表面。随着我们让格点之间的间距越来越小，它变成了普通的时空，万能理论便开始出现。同样，一旦有了M-理论的终极方程，就可以将其应用于网格，然后在计算机上进行计算。

在这种方案中，我们的宇宙来自一台超级计算机的输出。（这让我想起了《银河漫游者指南》，建造一个巨大的超级计算机寻找生命的意义。在进行了无数次计算之后，计算机最终得出结论，宇宙的意义是“四十二”。）

因此，可以想象，或许是下一代的粒子加速器，或许是位于矿井内部的粒子探测器，或许是位于深空的引力波探测器，将找到弦理论的实验证据。如果不能，也许某个天才物理学家具有足够的毅力和远见，找到了万能理论的最终数学表达。那时，我们则能将其与实验进行比较。

尽管物理学家寻求万能理论的旅程会面临非常多的曲折，但我坚信，我们终将找到万能理论。

下一个问题是：弦理论从何而来？如果万能理论有一个宏观设计，它有设计师吗？如果有，宇宙是否具有自己的目标和意义？