序

愛因斯坦在生命的最后30年里一直在尋找所謂的統(tǒng)一場(chǎng)論——一個(gè)能在單獨(dú)的包羅萬象的協(xié)和的框架下描繪自然力的理論。激勵(lì)愛因斯坦的不是我們常想的那些與科學(xué)事業(yè)相關(guān)的東西，例如，為了解釋這樣或那樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，驅(qū)使他的是一種熱忱的信念：對(duì)宇宙的最深刻認(rèn)識(shí)將揭示一個(gè)最大的宇宙奇跡，那就是，它所依賴的基本原理是那么簡(jiǎn)單而有力。愛因斯坦渴望以前所未有的清晰來表現(xiàn)宇宙的活動(dòng)，讓每一個(gè)人都敬畏它那美妙動(dòng)人的旋律。

愛因斯坦從未實(shí)現(xiàn)他的夢(mèng)，主要原因是那底牌還沒看清楚：那時(shí)，自然力和物質(zhì)的許多基本特征我們還不知道，或者知之甚少。但在過去的半個(gè)世紀(jì)，每一代新生物理學(xué)家——經(jīng)歷無數(shù)的曲折，走過數(shù)不清的死胡同——都不斷在前輩的基礎(chǔ)上添磚加瓦，構(gòu)筑起越來越完整的宇宙行為知識(shí)體系。當(dāng)年，愛因斯坦?jié)M懷熱情追求統(tǒng)一理論，卻空手歸來；如今，物理學(xué)家相信他們終于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)框架，能把這些知識(shí)縫合成一個(gè)無縫的整體——一個(gè)單一的理論，一個(gè)原則上能描述一切現(xiàn)象的理論，這就是超弦理論，我們這本書的主題。

我寫《宇宙的琴弦》，是為了把物理學(xué)研究前沿的驚人發(fā)現(xiàn)帶給廣大的讀者，特別是那些沒有經(jīng)過數(shù)學(xué)和物理學(xué)訓(xùn)練的人。在過去的幾年里，我開過一些超弦理論的普及演講，發(fā)現(xiàn)很多人都渴望了解當(dāng)代研究說了哪些關(guān)于宇宙定律的東西，那些定律如何要求重建一個(gè)不朽的宇宙概念，在對(duì)終極理論追求的背后，藏著哪些挑戰(zhàn)。這本書解釋了愛因斯坦、海森伯以來的主要物理學(xué)成就，描述了那些發(fā)現(xiàn)是如何在我們時(shí)代的科學(xué)突破中四處開花結(jié)果的，我希望這能豐富讀者的知識(shí)和滿足讀者的好奇心。

我也希望《宇宙的琴弦》能令那些有一定科學(xué)修養(yǎng)的讀者感興趣，對(duì)自然科學(xué)的學(xué)生和老師來說，我希望這本書不但能具體提供一些現(xiàn)代物理學(xué)的基本材料，如狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論和量子力學(xué)；同時(shí)也能把從四面八方走來尋求統(tǒng)一理論的研究者們興奮和激動(dòng)之情傳給大家。對(duì)于熱心的科普讀者，我向他們解釋了近10年來我們?cè)谡J(rèn)識(shí)宇宙的過程中獲得的振奮人心的進(jìn)展；對(duì)于其他學(xué)科領(lǐng)域的同事，我希望這本書能給他們一種忠實(shí)而平靜的感覺，使人了解為什么弦理論家會(huì)那么津津樂道追求終極自然理論的那么一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步。

超弦理論撒開了一張大網(wǎng)。它是一個(gè)深廣的主題，融合著許多重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。這個(gè)理論統(tǒng)一了大與小的定律，大到統(tǒng)領(lǐng)宇宙的盡頭，小到深入物質(zhì)的核心。我們能通過許多不同的道路走近它。我選擇的是我們不斷演化著的空間和時(shí)間的認(rèn)識(shí)，我認(rèn)為這是一條特別扣人心弦的發(fā)展道路，它掃蕩舊觀念，引來了許多迷人的新發(fā)現(xiàn)。愛因斯坦向世界證明空間和時(shí)間在以一種陌生的令人驚訝的方式活動(dòng)著。如今，前沿的研究已經(jīng)通過許多卷縮在宇宙纖維里的隱藏維度把他的發(fā)現(xiàn)綜合進(jìn)量子宇宙——那些維度的復(fù)雜幾何很可能是打開某些空前幽深的問題的鑰匙。我們將看到，盡管有些概念令人難以捉摸，但還是可以通過實(shí)際的類比來把握它們。理解了這些思想，一個(gè)驚人的革命性的宇宙圖景將展現(xiàn)在面前。

貫穿全書，我都緊扣科學(xué)，同時(shí)也常常通過類比和比喻，讓讀者對(duì)科學(xué)家如何形成當(dāng)今的宇宙概念有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。盡管我避開了專業(yè)術(shù)語和數(shù)學(xué)方程，但因?yàn)樯婕暗男赂拍钐?，為了能完全跟上概念的發(fā)展，讀者可能還得不時(shí)停下來，想想這兒，想想那兒。第四部分的幾章（集中談最新進(jìn)展）比其他部分更抽象；我會(huì)小心地先警告讀者，內(nèi)容結(jié)構(gòu)也經(jīng)過了適當(dāng)安排，以便讀者可以匆匆瀏覽或者跳過它們，而不會(huì)對(duì)全書的邏輯有太大的影響。為便于讀者記住正文里引進(jìn)的概念，我編了一個(gè)科學(xué)名詞解釋。當(dāng)然，馬虎的讀者可能會(huì)完全跳過書后的注釋，但認(rèn)真的讀者會(huì)在注釋中看到正文的一些觀點(diǎn)被擴(kuò)充了，簡(jiǎn)化的思想也更清晰了，經(jīng)過數(shù)學(xué)訓(xùn)練的人還能在那兒發(fā)現(xiàn)一些更富專業(yè)情趣的東西。

我在寫這本書的過程中得到過許多人的幫助，我要感謝他們。David Steinhardt以極大的耐心閱讀了原稿，以編輯的眼光慷慨地提出了很好的建議，并給了我極大的鼓勵(lì)。David Morrison, Ken Vineberg, Raphael Kasper, Nicholas Boles, Steven Carlip, Arthur Greenspoon, David Mermin, Michael Popowits和Shani Offen認(rèn)真讀了原稿，具體談了讀后的感覺，提出了令本書大為增色的意見。另外還有不少朋友也讀過全部原稿，并提出了建議和鼓勵(lì)，他們是Paul Aspinwall, Persis Drell, Michael Duff, Kurt Gottfried, Joshua Greene, Teddy Jefferson, Marc Kamionkowski, Yakov Kanter, Andras Kovacs, David Lee, Megan McEwen, Nari Mistry, Hasan Padamsee, Ronen Plesser, Massimo Poratti, Fred Sherry, Lars Straeter, Steven Strogatz, Andrew Strominger, Henry Tye, Cumrun Vafa和Gabriele Veneziano。我要特別感謝Raphael Gunner，他在本書寫作初期曾提出過很有遠(yuǎn)見的批評(píng)，使它在整體上能有現(xiàn)在的樣子；我還要特別感謝Robert Malley，從本書的思考到落筆，他總是在一直激勵(lì)著我。另外，Steven Weinberg和Sidney Coleman也給了我重要的指導(dǎo)和幫助。我很高興與下列朋友進(jìn)行過有益的交流：Carol Archer, Vicky Cassel, Anne Coyle, Michael Duncan, Jane Forman, Wendy Greene, Erik Jendresen, Gary Kass, Shiva Kumar, Robert Mawhinney, Pam Morehouse, Pierre Ramond, Amanda Salles和Eero Simoncelli。我感謝Costas Efthimiou幫我核對(duì)事實(shí)，尋找資料，還把我的說明正文的草圖繪成線條圖，而Tom Rockwell又憑他神圣的藝術(shù)家的眼光將那些圖重新創(chuàng)作出來。我也感謝Andrew Hanson和Jim Sethna，他們?cè)鴰椭覝?zhǔn)備幾幅特殊的圖件。

感謝Howard Georgi, Sheldon Glashow, Michael Green, John Schwarz, John Wheeler, Edward Witten，當(dāng)然還有Andrew Strominger, Cumrun Vafa和Gabriele Veneziano，他們同意我借用和比較他們各人對(duì)不同問題的觀點(diǎn)。

我也樂意感謝W.W.Norton出版公司的兩位編輯，感謝Angela Von der Lippe透徹的眼光和珍貴的建議，感謝Traci Nagle對(duì)細(xì)節(jié)的敏銳和認(rèn)真的態(tài)度。我還要感謝我的著作代理人John Brockman和Katinka Matson，他們一直以專家的眼光指引著本書從開篇走到出版。

我做理論物理研究快20年了，要感謝國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)（NSF）、Alfred P.Sloan基金會(huì)和美國(guó)能源部的大力支持。我自己的研究主要是超弦理論對(duì)我們時(shí)空概念的影響，這大概也沒有什么可奇怪的；在后面的幾章，我談了一些我有幸參與的發(fā)現(xiàn)。盡管我希望讀者能夠喜歡讀這些“內(nèi)線”材料，但我也意識(shí)到他們可能會(huì)高估我在超弦理論發(fā)展中所扮演的角色。所以我借這個(gè)機(jī)會(huì)來感謝全世界成千的物理學(xué)家，感謝他們?yōu)樽穼び钪娼K極理論所做的貢獻(xiàn)。由于所選主題的原因，也因?yàn)槠南拗疲€有很多人的工作沒能在書里提到，我向所有那些作者說聲抱歉。

最后，我衷心感謝Ellen Archer堅(jiān)定不移的愛與支持，沒有她，這本書是不可能寫出來的。

布萊恩·格林