爱因斯坦是人类历史上最杰出的天才之一，在他生命的最后30年，他一直希望能找到一个包罗万象的理论，用来描绘包括引力在内的各种自然力。不过很遗憾，爱因斯坦没能成功。其实所有的科学家，几乎都有这样的一个梦想，希望能找到一个基本的原理，一个简单而深刻的理论，来描绘宇宙间的各种现象。经过一代又一代科学家的努力，人类终于窥见了一点希望。这个有可能描述一切现象的理论，就是《宇宙的琴弦》这本书的主题：弦理论。
这本书的作者是布赖恩·格林，他是牛津大学的物理学博士，哥伦比亚大学的数学和物理学教授，同时也是站在弦理论研究最前线的顶尖科学家，对弦理论中空间状态的研究做出过很重要的贡献。
弦理论是当今最前沿的一门科学，目前还在发展之中，许多问题科学家也还在研究。而且弦理论不光涉及物理学，也涉及大量艰深的数学知识，非常深奥抽象，它所描绘的宇宙，跟我们熟悉的宇宙有很大差别，远远超出了普通人的认知范围。所以要对弦理论进行科普的话，可能只有布赖恩·格林这样的专业人士才能做到深入浅出，游刃有余。
《宇宙的琴弦》这本书基本没有方程，格林用尽可能简单的方法，介绍了弦理论的来龙去脉和精髓。一般人读起来虽然还是有压力，但已经可以理解弦理论的基本知识，感受到其中的美了。《宇宙的琴弦》当年还进入了普利策奖非虚构类图书的决赛，拿过不少奖，还有电视台专门为这本书做了纪录片。对于普通读者来说，能从这本书中感受到人类最精华、智慧浓度最高的理论，的确是一种幸运。
弦理论大概是怎么一回事：第一个问题，就是弦理论是在怎样的背景下诞生的？第二个问题，弦理论有哪些特别之处？最后一个问题，弦理论有可能会推翻我们的哪些认知？
弦理论诞生的背景是什么？如果要选出一位全世界最出名的科学家，那答案肯定是爱因斯坦。爱因斯坦的最大贡献是相对论，它完全推翻了牛顿的物理学体系，彻底重塑了人类对宇宙的认知。相对论是一个天才的创想，也是现代物理学的两大支柱之一。
现代物理学的另一大支柱，叫量子力学。这套理论，比相对论更抽象，更违反常识。量子力学的泰斗费曼曾经说过这么一句话，他说相对论虽然艰深，但你只要认真读过爱因斯坦的文章，那就能看懂；但如果是量子力学的话，不好意思，没人能看懂量子力学。
相对论和量子力学，是现代物理学的基础理论，是整个物理学大厦的地基。大到宇宙的膨胀，小到组成物质的微观粒子，它们都能解释。这两套理论都经受过无数次严格的检验，无论实验的精度有多高，相对论和量子力学都能得到证实，屹立不倒，可以说是人类历史上最成功的两大科学成就。
但问题恰恰就出在这里：作为物理学的基础，相对论和量子力学，在根本上是存在冲突的。在某些条件下，这两套理论水火不容，所以不可能同时正确。为什么这么说呢？
先来看看相对论，这里主要讲广义相对论。物理学家恵勒曾经用一句非常简洁的话，概括了广义相对论的核心内容，“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动”。
在我们传统的认知中，空间是看不见摸不着的，但在广义相对论看来，空间就像是一张非常巨大的、平滑的膜，你可以想象一下家里的保鲜膜，而且这个膜是有弹性的。你可以想象一下，如果我们把一颗球放到这张巨大的膜上，膜就会凹下去。在这里，膜就相当于空间，球就相当于太阳、地球这些星球。这么一想你就明白了，物质会让空间弯曲。而且物质越重，膜弯曲得就越厉害，如果物质的质量很小，这个弯曲的幅度也小。这就叫“物质告诉空间如何弯曲”。
当空间这张膜弯曲以后，它就会影响物质的运动。你想啊，假如一张膜凹了下去，那在上面滚动的小球，运动轨迹肯定会受到影响。在牛顿的物理学中，地球围着太阳转，是因为“引力”的作用，但牛顿无法解释引力是怎么来的。而广义相对论就提出，引力的本质，就是这种空间的形变，它影响了物质的运动。所以地球绕着太阳转，是因为太阳弯曲了周围的空间，影响了地球的运动。这就叫“空间告诉物质如何运动”。
明白了“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动”，你就知道了广义相对论大概是怎么回事了。
再来看一下量子力学，这里主要讲一下不确定性原理，也叫测不准原理。这个原理的核心很简单，就是一个粒子的位置和速度，不可能同时被确定。如果它位置越确定，那它速度的不确定性就越高；如果速度越确定，那位置的不确定性就越高。
举个例子。假如有一个很大的盒子，这个盒子里有一个电子。你想把这个电子给抓起来，所以就把这个盒子慢慢往里挤压，越挤越小，这个时候，这个电子在位置上的确定性就变高了，但这时你会发现，这个电子变得越来越疯狂，在盒子里到处乱撞，速度越来越大，行动轨迹越来越难以预料，也就是说，它的速度变得越来越不确定。
不光电子是这样，所有的微观粒子，如果我们把它限定在一个极小的空间区域内，那这些粒子就会变得越来越疯狂，越来越难以捉摸。而且不光是位置和速度之间存在着这种关系，能量和时间之间也存在着这种关系，所以如果考察时间足够短的话，粒子的能量就会在短时间内疯狂地涨落起伏。
根据不确定性原理，即使是看似什么都没有的一片空间，如果我们把视野缩小，就会发现那里也有大量的活动。所以在量子力学里，宇宙在微观尺度上是一个混沌的、疯狂的世界。引力场在微观尺度上也会因为量子涨落而波荡起伏，而且我们关注的空间越小，这种起伏就越大。
讲到这里，相对论和量子力学的矛盾，就显露出来了：你看，在广义相对论看来，宇宙空间就像一张巨大的膜，虽然物质可以使它弯曲，但空间还是很平滑的。但在量子力学看来，宇宙空间在微观尺度上是剧烈涨落的，根本就不是平滑的。所以在超微尺度上，相对论和量子力学冲突了。这个冲突，就是弦理论诞生的背景，是弦理论需要解决的问题。
在一般人看来，广义相对论和量子力学的冲突，真不算大。因为这两套理论各管一块领域，一般不会发生交叉：广义相对论关注的是宏观的问题，在分析地球、太阳、星系这些大质量物体、大尺度范围时，非常管用；量子力学关注的是微观的问题，在研究粒子的运动这些小尺度的问题时特别管用。一般情况下它们是相安无事的。但问题是，如果我们在一个很小很小的尺度上来进行计算的话，那两套理论就会发生冲突了。这个尺度叫普朗克长度，是1.6x10的负33次方厘米，这个尺度有多小呢？假如我们把一个原子放大到像整个宇宙那么大，那普朗克长度也只相当于地球上的一棵树那么高。
那你可能会问，这么小的尺度，到底有没有研究意义？还真有。比如说黑洞的中心，质量极大尺度极小，或者宇宙大爆炸那一瞬间的宇宙，也是质量极大尺度极小。如果我们要研究这些问题，那相对论和量子力学的冲突，就必须得解决。物理学一路发展到相对论和量子力学这里，终于出现了不能不解决的矛盾。为了解决这个矛盾，就需要一套能够调和它们的理论，在这个背景之下，弦理论诞生了。
就是第一个问题，弦理论诞生的背景是什么？在弦理论诞生之时，现代物理学的两大支柱理论，相对论和量子力学，在极端情况下发生了不可解决的冲突。为了解决这个问题，科学家需要一套新的理论。这也是弦理论的使命之一。
明白了弦理论诞生的背景，那再来看第二个问题，弦理论有什么特别之处？先来看看弦理论到底在说些什么。古希腊人认为，所有的物质都是由粒子构成的。他们把这种粒子叫做原子，说它很小，而且不可分割。当然今天我们已经知道了，原子下面还有质子、中子、电子、夸克、中微子等等粒子。但总之，在弦理论出现以前，人们普遍认为，物质是由这些像一个个点一样的粒子所构成的。不光如此，宇宙里的各种力，包括电磁力、强力、弱力，也跟各种粒子有关，比如光子、胶子等等。我们把这套用粒子来描述各种事物的理论，叫做“标准模型理论”。
跟标准模型理论不同，弦理论认为，我们的宇宙不是由点状的粒子组成的，而是由一根根震动的弦构成的。弦理论提出，如果我们把各种基本粒子放大，用目前还达不到的精度去观察它们，就会发现，这些粒子并不是一个点，而是由一个小小的环构成的。每个粒子都好像是一根无限细的、一维的橡皮筋，在不停地震动。当然了，这些弦非常非常小，平均长度大概就是刚刚讲过的普朗克长度，以我们目前的观测技术来看，它就是个点。
所以，在弦理论中，宇宙从微观层面来看，到处都是小小的琴弦，这些琴弦的振动，就演奏出了整个宇宙演化的交响曲。这就是弦理论最为核心的观点，也是弦理论最特别的地方。
你可能会问，弦理论的设想虽然很巧妙，但到底有什么用呢？难道我们熟悉的以粒子为基础的标准模型理论错了吗？不得不说，标准模型理论发展到今天，已经很完备了，而且也经受住了非常严格的检验，的确没发现什么问题。但标准模型理论有一个遗憾：就是它虽然能描述四种基本力中的三种，也就是电磁力、强力和弱力，但是却解释不了引力是怎么回事。所以它还算不上是涵盖一切的“万有理论”。
但弦理论不同，如果我们把粒子换成弦的话，就会发现，在某个特别的振动模式之下，刚好可以产生一种质量为0的粒子，恰好就是科学家们所期待的“引力子”，能够解释引力是怎么回事。所以，弦理论不光可以描述物质的组成，还可以描述自然界里包括引力在内的所有基本力，有能解释万物的潜力。
另一方面，标准模型理论里的基本粒子远不止一种，而是有好多好多种，比如夸克、胶子、光子，它们都是基本粒子。所以科学家自然会好奇，为什么这些粒子有这么多种？又刚好具有各自的性质？这有什么解释吗？难道只是巧合？
弦理论给了一个解释。在弦理论看来，我们观察到的那些粒子，也是由弦构成的。你可以先想象一个场景，吉他上的弦，是可以震动的，而且即使我们拿好多根完全一样的弦过来，通过不同的弹奏力度，也可以让这些弦产生不同的震动幅度，发出不同大小的声音。弦理论里的弦也是这样，虽然所有的弦都是一样的，但这些弦具有不同的振动模式，所以可以产生不同的粒子。比如说，如果弦的振幅大，波长小，那产生的粒子携带的能量就高。同样的，粒子的其他性质，比如质量、电荷等等，也跟弦的振动模式有关。这就解释了粒子种类和性质的问题。
讲到这里你就可以感受到，弦理论比标准模型理论具有更高的统一性，更接近一个终极理论。它能解释粒子的性质，也能解释引力。虽然目前还不能确定弦理论就是对的，但它所提供的大一统的框架，的确很吸引人。但弦理论更吸引人的地方是它可以缓和广义相对论和量子力学之间的对立。
之前说过，在广义相对论中，空间和时间是光滑、弯曲的，但在量子力学中，空间在微观上是剧烈涨落的。那弦理论是怎么解决这个矛盾的呢？
先来看个形象的例子。假如你面前放着一块精心加工过的花岗石，你用手去摸它，会感觉它特别光滑顺手，一点瑕疵都没有，但如果你用放大镜或者显微镜来观察它的表面，就会发现，花岗石的表面是凹凸不平的，有许多颗粒和坑洞，只是这些颗粒太小，用手根本感觉不到。在这个例子中，花岗石表面的小颗粒，手感觉不到，因为它已经超出了手的感知范围，对于手来说它是没有意义的。同样的道理，如果我们把手换成弦的话，那就意味着，如果一个东西比弦还小，对弦都产生不了影响，那它对于弦来说，也是没有意义的。
在弦理论中，组成物质的最小单位，就是弦。弦的平均长度，就是普朗克长度。如果一块空间比普朗克长度还小，那不管里面发生些什么，都不会影响到弦，对弦来说没有意义。而我们之前说过，量子力学和相对论的冲突，就是在普朗克尺度以下才发生的，但实际上，在这么小的尺度下，无论发生怎样的量子涨落，空间里有怎样的滔天巨浪，都影响不到弦。既然影响不到整个宇宙中最小的基本单位，就更影响不到其他的各种事物了，所以我们根本就不用管在普朗克尺度以下才会出现的量子力学和相对论的冲突，问题就这么解决了。
你肯定在想，这是在耍花招，这不是解决问题，而是在逃避问题。还真不是。因为我们想象的普朗克长度以下的冲突，本来就是在标准模型理论的基础上才会产生的，别忘了在标准模型理论中，构成各种物质的是粒子，但如果我们换一套理论，把粒子换成弦，那这个问题压根就不会产生。为什么这么说呢？在标准模型理论中，空间是可以无限分割的，要多小有多小，没有极限，但在弦理论的世界中，这种空间概念并不适用。空间只能小到弦的尺度，不能再小了。这就相当于整个游戏规则都变了，那原先的问题自然就不存在了。广义相对论和量子力学在新的规则下可以和谐共处。
刚才讲的就是第二个问题，弦理论有什么特别之处？在弦理论看来，宇宙的基本组成结构不是点状的粒子，而是不停振动的弦。通过弦理论，我们可以解释粒子是如何产生的，能够把四大基本力囊括到一个框架里，还可以缓解量子力学和广义相对论之间的冲突。所以目前看来，弦理论可以提供一个大一统的框架，有可能成为解释万物的终极理论，这是它最特别的地方。
这就是弦理论的诞生背景和特别之处，那再来看最后一个问题，弦理论可能会推翻我们的哪些认知？从之前的讲述中你也能感觉到，弦理论动摇了现代物理学的基础，让我们对空间的理解也发生了变化。弦理论所描绘的宇宙，跟传统观念中的宇宙也不一样。这里用几个例子来带你感受一下。
先来看看宇宙的维度。在传统看来，我们的宇宙是3个空间维加上1个时间维。3个空间维就是上下、左右、前后，1个时间维就是时间。宇宙间在任何时间地点发生的事，都可以用这4个维度来确定。但随着弦理论的发展，科学家们逐渐发现，宇宙好像不是只有4维，而是有11维，应该是10个空间维度，加上1个时间维度。只是有些维度蜷曲起来了，我们感受不到。
举个例子说明一下。假如在花园里有一根长长的水管，这水管无限薄，很细，上面有一只蚂蚁在爬。如果我们离得远一点，这水管在我们看来就好像是一维的，就是一根线。如果我们要描述蚂蚁的位置，那只需要一个维度就行了，就是它离水管的起点有多远。但如果我们凑近了看，就会发现，其实这个水管还是有粗细的，蚂蚁不光可以顺着水管的方向爬，它也可以在水管上转圈。转圈的那个方向，也是一个维度。所以，如果要精准描述蚂蚁的位置的话，我们就需要知道两个维度，一个是长长的那一维，一个是绕成圈的那一维。
在弦理论看来，我们的宇宙也跟这根水管差不多。我们感受到的那3个空间维，是展开的，就相当于水管上的长长的那个维度。剩下的维度，就好像是水管上绕成圈的那一维，蜷曲起来了，而且蜷曲得特别小，可能只有普朗克长度那么点大，所以我们注意不到，但这不代表这些维度不存在。所以我们的宇宙，是有1个时间维，3个展开的空间维，还有7个蜷曲起来的空间维，一共是11维。
那你可能会问，照这么说，我也可以说宇宙有100维1000维，反正我们也看不到，科学家凭什么说它们存在呢？而且就算这些维度存在，但它们蜷曲得那么小，又有什么意义呢？之前说过，在弦理论看来，粒子是由弦的振动产生的，弦的不同振动方式，就会产生不同的粒子。那些蜷曲起来的维度虽然很小，但它会影响空间的结构，也就会影响弦的振动，因为弦也是普朗克尺度的大小。有10个空间维，就意味着弦可以在10个方向上独立振动，弦的振动模式会影响粒子的质量和电荷，从而影响我们的宇宙。
当然了，11维理论的来源，也是通过数学计算倒推出来的，科学家目前还没办法通过观察进行验证。这11维中是不是只有1个时间维，也说不准。这个理论目前只是个雏形，还有很多疑问都没法解答。
再来看看黑洞。如果我们用弦理论来看黑洞的话，会发现更多匪夷所思的情况。在一般人的想象中，黑洞和基本粒子，是完全没有联系的两种物体，黑洞是质量极大的巨无霸天体，粒子是质量极小的小不点，但有物理学家提出，黑洞和基本粒子有很相似的特征，就像粒子一样，如果任何两个黑洞有相同的质量、力荷和自转，那它们就是完全相同的，这跟基本粒子是一样的。所以有科学家提出了一个猜想：说黑洞本来就是一个巨大的基本粒子。但如果要研究这个问题，就会碰上质量极大、尺度极小的问题，要面临量子力学和广义相对论的冲突，所以一直没有进展。而随着弦理论的发展，科学家们真的在黑洞和基本粒子间建立起了一个无懈可击的联系，发现黑洞和基本粒子就好像是冰和水一样，是同一种物质的不同存在方式。
当然了，黑洞还有很多未解之谜，从弦理论的视角来看，这些谜题也可能存在着非常神奇的解释。比如包括霍金在内的科学家曾经都认定，所有的物质和信息，一旦掉进了黑洞，就永远地消失了。但后来霍金承认，根据弦理论对黑洞的最新认识，这些信息有可能储藏在黑洞的某种特殊的高维膜里，还可以从那里被还原。不过这些都还只是猜想，没有定论。
如果我们把弦理论用在宇宙大爆炸的研究中，也可以得到很多新鲜的结论。比如宇宙在大爆炸初始时是什么状态，为什么刚好是三个维度延伸开来了等等。当然了，这些问题极其复杂，而且也还在研究当中，没有定论。
刚才讲的就是最后一个问题，弦理论可能会推翻我们的哪些认知？在弦理论看来，我们宇宙的空间不是3维的，而是10维的，只是其中的3个维度展开了，而另外的维度是蜷曲的，但这些维度都会影响弦的运动。此外，弦理论还在黑洞和基本粒子之间建立了联系，也推动了科学家们对于黑洞和宇宙大爆炸的其他研究。总之，弦理论会让人类对宇宙的认识产生重大变化。
总结
首先讲到的第一个问题，弦理论是在怎样的背景下诞生的？在弦理论诞生之时，现代物理学的两大支柱，相对论和量子力学，在某些情况下发生了不可调和的冲突。所以科学家们必须找出解决办法，弦理论也必须要直面这一冲突。
第二个问题是，弦理论有什么特别之处？弦理论认为，宇宙的基本组成结构是一根根振动的弦。通过这一设定，我们可以解释粒子是如何产生的，能够把包括引力在内的四大基本力囊括到一个框架里，还可以缓解量子力学和广义相对论之间的冲突。也就是说，弦理论有可能成为描述万物的“万有理论”，这是它最特别的地方。
最后一个问题是，弦理论可能会推翻我们的哪些认知？在弦理论看来，我们宇宙的空间不是3维的，而是10维的，加上时间，一共有11个维度。此外，弦理论还在黑洞和基本粒子之间建立了明确的联系，还推动了对于宇宙大爆炸等问题的研究，让人类对这些问题的认识发生了重大变化。
有个感受，就是人类对于理论的追求，很多时候是源自于这样一种世界观：就是宇宙间的所有现象，在根本上，都可以用一个和谐的、统一的、完美的理论来进行解释，这个想法可能永远无法得到证明，但它是深存于人类心底的一种美学追求，一个坚定的信念。
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