弦、超弦和宇宙起源

1919年，一位幾乎不知名的德國(guó)數(shù)學(xué)家西奧多·卡魯扎提出了一個(gè)大膽的、從某種程度上說(shuō)非常離奇的想法——我們的宇宙實(shí)際上可能不止三維，而是具有更多維度。也就是說(shuō)，除了左、右、前、后、上、下之外，還有其他空間維度，只是我們目前還看不到而已。面對(duì)一個(gè)大膽而且離奇的猜想，人們的焦點(diǎn)往往在它的大膽和離奇上，但這部分與我們周圍的世界是毫無(wú)關(guān)系的。然而，卡魯扎的想法，雖然還不能斷定它是對(duì)還是不對(duì)（也許還得很多年之后才能斷定），但在20世紀(jì)，它已經(jīng)對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了重大的沖擊，并且現(xiàn)在仍在推動(dòng)許多尖端研究。

我們來(lái)探討一下這些其他維度。首先來(lái)了解一些背景知識(shí)。早在1907年，愛(ài)因斯坦正因發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論而春風(fēng)得意，他決定做一個(gè)新課題，試圖充分理解廣泛存在的重力。在當(dāng)時(shí)，他周圍的很多人都以為這個(gè)問(wèn)題早已得到了解決。17世紀(jì)后期，牛頓提出了重力理論。這個(gè)理論在當(dāng)時(shí)通行無(wú)阻，它不但正確地描述了行星和月球的運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)我們身邊的所有運(yùn)動(dòng)都能很好地描述。

但愛(ài)因斯坦意識(shí)到還有些問(wèn)題牛頓沒(méi)有解決，因?yàn)榕ｎD自己曾經(jīng)承認(rèn)，雖然他知道如何計(jì)算重力的效果，但是他搞不清楚重力究竟是如何起作用的。比如說(shuō)，太陽(yáng)距離地球1.5億千米，在這么大的尺度上，它是怎樣影響地球運(yùn)動(dòng)的？太陽(yáng)如何穿越廣袤的空間施展它的影響力？愛(ài)因斯坦把這個(gè)問(wèn)題作為自己探討的對(duì)象，研究重力如何發(fā)揮作用。

他發(fā)現(xiàn)了什么？他發(fā)現(xiàn)傳遞重力的媒介就是空間本身。這個(gè)想法的本質(zhì)是將空間想象為萬(wàn)物的基質(zhì)。愛(ài)因斯坦說(shuō)，在沒(méi)有物質(zhì)存在的情況下，空間是平坦的；可是一旦有了物質(zhì)存在，比如說(shuō)太陽(yáng)，空間的結(jié)構(gòu)就會(huì)扭曲，形成彎道，這便導(dǎo)致了重力的產(chǎn)生。就連地球也在扭曲它周圍的空間，讓月亮在其軌道上不停地運(yùn)行。按照這個(gè)想法，太陽(yáng)、地球和月亮由于自身的存在，在各自所處的空間造成了扭曲，在“碾”出來(lái)的“山谷”中運(yùn)行。太陽(yáng)的存在產(chǎn)生了一個(gè)彎道，使得地球沿著這個(gè)彎道運(yùn)轉(zhuǎn)。這就是重力作用的新觀念。

1919年的天文觀測(cè)肯定了這個(gè)觀點(diǎn)。愛(ài)因斯坦因而舉世聞名，卡魯扎也因此動(dòng)起了腦筋。他和愛(ài)因斯坦一樣，也在尋找所謂的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論可以用來(lái)描述自然界的所有力，是一整套思想、一整套原理，或者一個(gè)萬(wàn)能的公式?？斣X(jué)得，既然愛(ài)因斯坦能夠用空間上的翹曲來(lái)描述重力（精確地說(shuō)就是時(shí)空），或許他也可以用相同的游戲規(guī)則描述其他已知的力，即當(dāng)時(shí)人們所知的電磁力。

但是這里產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：愛(ài)因斯坦已經(jīng)用時(shí)空和翹曲描述了重力，似乎沒(méi)有別的什么還能實(shí)現(xiàn)翹曲。因此卡魯扎說(shuō)，空間也許還有更多的維度，每描述另外一個(gè)力，都需要增加一個(gè)維度，電磁力就是第四維度的翹曲。問(wèn)題的關(guān)鍵就在這里：他寫出方程組來(lái)描述四維空間的翹曲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它就是科學(xué)家一直以來(lái)描述電磁力的那個(gè)公式，而不是別的什么。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他激動(dòng)得不得了，他圍著房子邊跑邊叫：“我勝利嘍！我勝利嘍！”他認(rèn)為自己已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了統(tǒng)一理論。

顯然，卡魯扎這個(gè)人很看重理論。有一個(gè)關(guān)于他的故事：當(dāng)年他想學(xué)游泳，就買了一本教游泳的書，看完之后他就跳進(jìn)了大海。這個(gè)人愿意為了理論拿生命冒險(xiǎn)。像我們這樣比較注重實(shí)踐的人，可以立刻從他的方程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：①如果空間有更多的維度，那么這些維度在哪里？我們?yōu)槭裁纯床坏剑竣谌绻眠@個(gè)理論解釋我們周圍的世界，把它應(yīng)用于實(shí)踐，會(huì)不會(huì)有什么問(wèn)題出現(xiàn)？

第一個(gè)問(wèn)題是由瑞典物理學(xué)家?jiàn)W斯卡·克萊因于1926年解答的。他把維度分為兩類：一類是大的維度，容易看見(jiàn)；另一類維度可能非常非常小，蜷縮在某個(gè)地方，即使存在于我們周圍，我們也看不到。但是，我們可以充分發(fā)揮自己的想象力。設(shè)想你正在看一根電纜：從遠(yuǎn)處看，電纜只有一維，但是根據(jù)常識(shí)，我們知道電纜是有一定粗細(xì)的；從遠(yuǎn)處看很難知道它的粗細(xì)，但是如果我們把焦距拉近，或者設(shè)想上面有只螞蟻，一會(huì)兒直線爬行，一會(huì)兒繞行，或者順時(shí)針，或者逆時(shí)針。

這說(shuō)明維度可以有兩類：大的維度和小的維度。我們身邊的大維度是很容易看到的，但是也可能有其他維度蜷縮在什么地方，就像電纜上盤繞著的鋼絲那樣，如果不就近觀察，就不會(huì)有人看見(jiàn)?？墒菍?duì)螞蟻來(lái)說(shuō)就不同了，電纜相對(duì)它是很大的空間，電纜上盤繞的鋼絲也同樣非常顯著，也許它還能看見(jiàn)更微小的維度。所以對(duì)我們來(lái)說(shuō)，如果把空間無(wú)限放大，應(yīng)當(dāng)會(huì)有更多的維度。

再來(lái)看第二個(gè)問(wèn)題。用這個(gè)理論解釋真實(shí)世界，能行得通嗎？其實(shí)，愛(ài)因斯坦、卡魯扎以及其他許多科學(xué)家當(dāng)時(shí)都在試圖優(yōu)化這個(gè)框架，用它來(lái)解釋宇宙的物理，雖然研究都很深入，但是不管用。比如說(shuō)，用這個(gè)理論就無(wú)法獲得正確的電子質(zhì)量。因此，盡管當(dāng)時(shí)許多人都致力于此項(xiàng)研究，但截至20世紀(jì)四五十年代，這個(gè)奇怪但讓人著迷的統(tǒng)一物理定律已經(jīng)煙消云散?，F(xiàn)在，所有物理學(xué)家都在追尋一種新的理論，試圖對(duì)物理定律進(jìn)行統(tǒng)一，這種理論被稱為超弦理論。超弦理論的奇妙之處在于，乍一看與更多維度沒(méi)有什么關(guān)系，但是進(jìn)一步研究超弦理論就會(huì)發(fā)現(xiàn)，更多維度以一種閃耀的新形式復(fù)活了。

超弦理論試圖解答這個(gè)問(wèn)題：在我們周圍的這個(gè)世界，構(gòu)成萬(wàn)事萬(wàn)物最基礎(chǔ)、最根本、不可再切分的最小成分是什么？設(shè)想我們觀察一個(gè)熟悉的物體，比如說(shuō)一根蠟燭，然后我們?cè)噲D弄明白它的構(gòu)成。深入其內(nèi)部，我們可以看到它的原子，但這還不是最小的，因?yàn)槲覀冎涝又醒胗袀€(gè)原子核，它周圍有電子圍繞它旋轉(zhuǎn)，原子核里還有中子和質(zhì)子，中子和質(zhì)子里還有更小的微粒，叫作夸克。常規(guī)的概念就到這里為止。

在這些粒子的深處，還有其他成分——一種舞動(dòng)著的絲狀能量，看上去就像振動(dòng)著的弦，弦理論也因此而得名。這些“弦”就像大提琴上的弦，只要撥動(dòng)就會(huì)以不同的模式振動(dòng)，但它們的振動(dòng)產(chǎn)生的不是不同的音符，而是構(gòu)成我們世界的粒子。因此，如果這個(gè)理論正確的話，宇宙的極微觀景象就應(yīng)該是這個(gè)樣子：由大量這樣的振動(dòng)能量絲組成，并以不同的頻率振動(dòng)。不同的頻率產(chǎn)生不同的粒子，不同的粒子造就了我們周圍這個(gè)世界的多樣性。

在這里，我們看到了統(tǒng)一性，因?yàn)槲镔|(zhì)粒子、電子、夸克、射線粒子、光子、引力子，都是由一種實(shí)體構(gòu)成的，所以物質(zhì)和自然力都是由這些振動(dòng)著的“弦”組成的，這就是我們所說(shuō)的統(tǒng)一理論。還有一個(gè)絕妙之處：研究弦理論的數(shù)學(xué)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它在只有三維空間的宇宙里不能成立，四維、五維或六維也不能成立。那么，怎樣才能成立呢？科學(xué)家認(rèn)為，只有在十個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度中才行得通。這就又回到了卡魯扎和克萊因的觀點(diǎn)：要想恰當(dāng)?shù)孛枋鑫覀兊氖澜纾木S度就應(yīng)該比我們看見(jiàn)的多。

這樣一來(lái)就又產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：是這些其他維度隱藏起來(lái)了，還是我們的世界擁有一些其他奧秘？下面讓我們看看這些其他維度的兩個(gè)特點(diǎn)。首先，我們中間有很多人相信這些其他維度可以用來(lái)解答理論物理中最深層的問(wèn)題。在過(guò)去幾百年中，科學(xué)家得出了20來(lái)個(gè)數(shù)字，可以用來(lái)真正地描述我們這個(gè)宇宙，包括電子和夸克等的質(zhì)量、引力的強(qiáng)度、電磁力的強(qiáng)度等，精確得令人難以置信?？墒?，沒(méi)有人能夠解釋這些數(shù)字，沒(méi)有人知道它們?yōu)槭裁磽碛心切┚唧w的值。

弦理論能給出答案嗎？現(xiàn)在還不能，但是我們相信這個(gè)問(wèn)題的答案可能要依賴這些其他維度。非常奇妙的一點(diǎn)是，如果這些數(shù)字不是現(xiàn)在的值而是其他什么，那么我們所知的宇宙就不會(huì)存在。這個(gè)問(wèn)題很奧。這些數(shù)字為什么會(huì)如此適合恒星發(fā)光和行星形成？如果撥弄這些數(shù)字，整個(gè)宇宙就會(huì)灰飛煙滅。弦理論認(rèn)為，這20來(lái)個(gè)數(shù)字與其他維度有關(guān)聯(lián)，這些維度的幾何結(jié)構(gòu)極其豐富，錯(cuò)綜復(fù)雜。

以卡拉比丘的形狀為例，我們可以看到其他維度蜷縮在一起，相互纏繞，形狀和結(jié)構(gòu)都非常有趣。如果其他維度就是這個(gè)樣子，那么我們所處的宇宙的微觀景象就是這種極微小的微縮形狀，你的手一擺，周圍的這些維度就會(huì)不停地移動(dòng)。那么，這20來(lái)個(gè)數(shù)字隱含著什么物理意義呢？

觀察一件樂(lè)器，比如法國(guó)圓號(hào)，注意氣流受樂(lè)器形狀影響而產(chǎn)生的振動(dòng)。弦理論中所有這些數(shù)字反映的是“弦”的振動(dòng)方式，就像氣流受樂(lè)器棱角、弧坡的影響一樣，“弦”本身也受到它所處的結(jié)構(gòu)中振動(dòng)模式的影響。所以，如果我們能準(zhǔn)確知道其他維度是個(gè)什么樣子，就可以計(jì)算出所有可能的音符或振動(dòng)模式。更進(jìn)一步說(shuō)，如果能夠計(jì)算可能的振動(dòng)模式，就可以計(jì)算出這20來(lái)個(gè)數(shù)字。如果我們計(jì)算得出的答案與那些通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的數(shù)字相符，在很多方面，這將成為對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的首次基本解釋。

其次，如何更直接地證明這些其他維度的存在？這只是一個(gè)有可能解釋世界上從未得到解釋的特征的有趣數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，還是能夠在現(xiàn)實(shí)中驗(yàn)證其他維度存在的完整理論？我們認(rèn)為，歐洲核子研究所的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以為我們驗(yàn)證這些其他維度是否存在。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)會(huì)使粒子以接近光速在隧道內(nèi)正反雙向運(yùn)動(dòng)，這些粒子時(shí)不時(shí)會(huì)正面碰撞。這樣做是希望撞擊的能量足以使一些殘骸從我們所知的維度中迸出，迫使它進(jìn)入其他維度。怎樣才能知道結(jié)果呢？我們將測(cè)量撞擊后的能量，將其與撞擊前的能量做比較，如果撞擊后能量減少了，就證明能量發(fā)生了逃逸；如果我們可以計(jì)算出逃逸的模式，就能夠證明其他維度的存在。

想象一下，現(xiàn)在有一種叫作引力子的粒子，我們期望它能夠迸出來(lái)，條件是真的存在其他維度。這將是一段了不起的歷史，一次了不起的機(jī)會(huì)。回顧牛頓時(shí)代的絕對(duì)空間，它僅僅為宇宙中的事物發(fā)生提供了一個(gè)舞臺(tái)。后來(lái)愛(ài)因斯坦說(shuō)時(shí)空是可以翹曲的，這就是重力。然后又出現(xiàn)了弦理論，它告訴我們可以把重力、量子力學(xué)和電磁理論統(tǒng)一起來(lái)，但是需要擁有更多的維度。這將是我們有生之年極力驗(yàn)證的一個(gè)問(wèn)題，有一定的可能性，也非常神奇！

布萊恩·葛林（1963年2月9日—）是美國(guó)著名的理論物理學(xué)家，1996年任哥倫比亞大學(xué)弦論、宇宙學(xué)和天體粒子研究中心

（ISCAP）教授。1999年，他出版了第一本科普書《宇宙的琴弦》，之后撰寫了《宇宙的構(gòu)造》《隱遁的事實(shí)》。在著名美國(guó)喜劇《生活大爆炸》（第四季）第20集中，葛林出演了他自己。