今天開始，我將為大家陸續(xù)解讀一本解密我們神秘宇宙的科普作品层扶。當代物理學家們在廣義相對論和量子力學的基礎上物理學們提出了一個更為基礎箫章，更為適用的、能普通解釋宇宙規(guī)律的理論镜会，也是當今宇宙學最為前沿的理論：超弦理論檬寂。從最微觀的粒子到最為廣闊的宇宙星體，從時間的發(fā)源到空間的扭曲戳表，將帶你全面了解宇宙萬物的基本運行規(guī)律桶至，是一本非常不錯的宇宙學科普讀物。

作者簡介：

B·格林匾旭，畢業(yè)于哈佛大學镣屹，在牛津大學獲博士學位，曾是那的Rhodes學者价涝。1990年女蜈，他來到康奈爾大學物理系，1995年被聘為教授飒泻，1996年到哥倫比亞大學任物理學和數(shù)學教授鞭光。他曾在20多個國家開過普及和專業(yè)講座，公認在超弦理論中有過許多開拓性的發(fā)現(xiàn)泞遗。

B·格林十分精妙地把科學思想與寫作融合起來。本書撩開了弦理論的神秘面紗席覆，揭示了一個十一維的宇宙史辙。那里，空間的纖維撕裂了又自己縫合起來，一切物質(zhì)——從最小的夸克到最巨大的超新星——都在微觀的小能量環(huán)的振動中產(chǎn)生聊倔。

本書榮獲2000年安萬特科學圖書獎晦毙。從愉快的園中漫步到澆花龍頭上的螞蟻，為了說明現(xiàn)代物理學正在揭示的美妙而困惑的實在耙蔑，格林用了很多例子见妒。 本書的才情令人眩暈，也沒有哪本書像它那樣啟迪思想甸陌，愉悅讀者须揣。它真是一部科學的杰作——一次愉快清心的現(xiàn)代物理學旅行，讓我們比以前離宇宙更近了……

知識的邊緣

現(xiàn)代物理學有兩大支柱理論：

1：愛因斯坦的相對論钱豁，它從大尺度上解釋了宇宙耻卡，如恒星，星系牲尺，星系團以及比它們更大的宇宙自身的膨脹的現(xiàn)象提供了理論框架卵酪。

2：量子力學，它從小尺度上解釋了分子谤碳、原子以及比原子更小的粒子溃卡，比如電子和夸克的存在提供了理論框架。量子力學是由許多科學家蜒简，包括普朗克瘸羡、海森堡、波爾臭蚁、薛定諤等人共同提出最铁。

但一個不幸的消息是，這兩個理論是不相容的垮兑，夸克的瘋狂舞蹈的運行軌跡和天體的規(guī)律運行是完全不一樣的冷尉。但從宇宙是一個整體，不應該存在兩種完全不同的理論系枪，所以這兩種理論不可能都正確雀哨，也就是叨襟，有個理論或者說兩個理論肯定是錯誤的汇陆。但是最近科學家提出了第三章能解釋這兩個理論的：超弦理論仅政。也就是本書正要講解的苫拍。它從最基本的層面上描述了宇宙的規(guī)模低散，緩解了廣義相對論和量子力學的緊張關系和不可調(diào)和的矛盾换怖。這是一種“大”的定律和“小”的定律的結(jié)合快集，讓我們從第三個視角觀察宇宙笛臣。超弦理論極大地改變了我們對空間工秩、時間尸饺、物質(zhì)的認知进统，今天，就讓我們開始這次奇妙的之旅吧浪听。

科學史上人類對宇宙的認識經(jīng)歷了三次沖突螟碎。

第一次沖突：在19世紀末，根據(jù)牛頓的運動定律迹栓，誰如果跑的足夠快掉分，就能趕上過去的光束。但是根據(jù)麥克斯韋的電磁學定律克伊，誰的跑不過光酥郭。后來愛因斯坦的狹義相對論解釋了這個問題，它推翻了時間和空間的認知答毫，時間和空間并不是固定不變的褥民，它們是靈活多變和運動的狀態(tài)。后續(xù)我們會講到洗搂。

第二次沖突：愛因斯坦認為任何物體都不可能跑得比光快消返。但是牛頓的引力理論卻讓我們看到了有一些東西可以瞬間穿越巨大的空間距離。后來耘拇，愛因斯坦提出了廣義相對論解決了這個問題撵颊。認為空間和時間不僅是運動的，而且還可以彎曲惫叛〕拢空間和時間結(jié)構(gòu)的這種扭曲將引力作用從一個地方傳到另外一個地方。

第三個沖突：19世紀的物理學概念用于微觀世界時嘉涌，出現(xiàn)了大量的問題妻熊。從1900年此后的30年里，物理學家們開創(chuàng)了量子力學仑最，用來解釋微觀世界的宇宙規(guī)律扔役。這些也將在后續(xù)詳細闡述。

20世紀80年代中期警医，弦理論為我們帶來了量子力學和廣義相對論的調(diào)和的一種解釋框架亿胸。同時再一次顛覆了我們對時間和空間的概念。比如通常情況下预皇，我們認為宇宙是三維的侈玄，但實際上宇宙是11維的。

人類對于宇宙的認識吟温，古希臘人認為宇宙萬物應該是由一些基本他們稱之為“原子”的原材料組成序仙，而且這些原材料應該數(shù)量并不多。就像我們用26個英文字母組成了千千萬萬的語言和文字世界一樣鲁豪。直到19世紀诱桂，科學家們還認為原子是組成宇宙最小的最基本的單位洋丐。

但是20世紀30年代呈昔，科學家發(fā)現(xiàn)原子并不是最小的挥等，里面還包含著質(zhì)子和中子，核外還繞著一群旋轉(zhuǎn)的電子堤尾。后來很長一段時間這種理論被延續(xù)肝劲。

在1968年，人類利用強大的技術力量探索了物質(zhì)更加微觀的層面郭宝。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子都不是最基本的辞槐。它們都是由更小的“夸克”組成≌呈遥夸克分為兩種榄檬，上夸克和下夸克。質(zhì)子是由兩個上可夸克和一個下夸克組成衔统；中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成鹿榜。

后來，科學家們又發(fā)現(xiàn)了更小的粒子锦爵，稱之為：中微子舱殿，這種中微子并不常見，它們像幽靈一樣险掀，很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用沪袭，能穿透幾百億千米的物質(zhì)，它們就這樣孤獨地樟氢，毫無顧忌地在宇宙中穿行冈绊。

但我們對微觀世界的探索還沒有結(jié)束，科學家們又相繼發(fā)現(xiàn)了μ子埠啃、四種夸克死宣，粲、奇霸妹、底十电、頂以及π、另外π有兩個性質(zhì)與中微子相同的粒子叹螟。同時發(fā)現(xiàn)鹃骂，每一個粒子都有一個質(zhì)量相同、電荷相反的反粒子罢绽。比如電子的反粒子就正電子畏线，電子的電荷為-1，正電子的電荷為+1良价。物質(zhì)與反物質(zhì)接觸時寝殴，會相互湮滅蒿叠，生成純粹的能量。

那么問題就來了蚣常，我們?yōu)槭裁葱枰敲炊嗔Ｗ邮醒剩课覀冎車氖挛锼坪踔恍枰娮印⑸峡淇撕拖驴淇司蛪蛄藛幔?/p>

力與光

在當前的物理學理論中抵蚊，宇宙存在四種基本力的組合：引力施绎；電磁力；弱力和強力贞绳。

引力大家比較熟悉谷醉，我們能在站在地球表面，也就是引力的作用冈闭，牛頓也提出了萬有引力定律俱尼。物體質(zhì)量和引力之間存在直接關系。

電磁力也是比較熟悉的萎攒，它是現(xiàn)代生活中一切方便的動力遇八，比如光、計算機躺酒、電視押蚤、電話等信號傳播中的一種力，粒子電荷在電磁力中扮演做物理質(zhì)量在引力中的角色：決定粒子能產(chǎn)生多強的電磁力羹应，對電磁力的反應有多大都是粒子電荷決定的揽碘。

但是，強力和弱力對大家來說就比較陌生了园匹。因為它們在超過亞原子尺度之外就完全失效了雳刺。它們是作用在原子核中的力，強力將夸克“膠結(jié)”在質(zhì)子和中子內(nèi)部裸违，又把質(zhì)子和中子緊緊地捆綁在一起塞進原子核掖桦。弱力最為人熟悉的作用是物質(zhì)的放射性衰變。

所有這四種力有兩個共同點供汛。

第一：在微觀層面枪汪，所有的力都關聯(lián)著一個粒子，我們可以把那些粒子想象成為最小的力元怔昨。

第二：力由某種“荷”來決定雀久，如質(zhì)量決定引力如何對粒子產(chǎn)生作用，電荷決定電磁力如何發(fā)生影響趁舀，粒子還被賦予一定的“強荷”和“弱荷”赖捌，它們決定著粒子如何感應強力和弱力的作用。

但是關于宇宙的力矮烹，我們還是有很多疑問越庇，比如為什么只是4種罩锐，不是5種或者6種？為什么強力和弱力只在微觀的尺度上才發(fā)生作用等等卤唉。

超弦理論

在宏觀上的廣義相對論和微觀上的量子力學基礎上涩惑，物理學家們提出了能融合兩種理論，并且能有效解決當前未解之謎的問題的更加基礎的理論：超弦力量搬味。

如上圖所示境氢，以前我們從原子走到質(zhì)子、中子碰纬、電子和夸克，現(xiàn)在超弦在它的前面添加了一個基本的微觀振動線圈问芬，這個基本的粒子稱之為弦悦析，是類似一個閉環(huán)的橡皮筋一樣的物質(zhì)。在超弦理論中此衅，宇宙萬物是由振動的絲弦組合構(gòu)成的强戴，弦理論提供了一個能囊括一切力和物質(zhì)的解釋框架。比如弦理論認為不同的粒子的性質(zhì)是由弦的不同振動方式?jīng)Q定的挡鞍，粒子的質(zhì)量和力荷有弦的振動模式?jīng)Q定骑歹。電子和夸克都是以某種方式振動的弦。粒子的性質(zhì)絕非一堆混亂的實驗結(jié)果墨微，而是同一物質(zhì)特性的具體表現(xiàn)：基本閉合弦的共振模式道媚。

弦理論的提出，是物理學史上第一次有了一個能解釋宇宙以及構(gòu)成的所有基本特征的理論框架翘县，是一種被認為或者說期待的包羅萬象的理論最域。盡管過去20多年，超弦理論取得了巨大的進步锈麸，但其實還是一個發(fā)展中的理論镀脂，還不完成成熟，還需要科學家們不懈的努力忘伞，去一步步解開宇宙的奧秘薄翅。