優雅的宇宙 The Elegant Universe

優雅的宇宙
The Elegant Universe


書名：優雅的宇宙
作者：布萊恩．格林恩（Brian Greene）
譯者：林國弘、侯孟奇、朱祖慧、蕭祺哲
出版時間：2003年10月
出版公司：台灣商務

第一章 用弦綁起來
說這個問題遮天蔽日恐怕太誇張了。但是，過去半個多世紀以來──即使是浸淫在歷史上許 多最偉大的科學成就之中──物理學家們已隱隱地意識到這個問題猶如一朵烏雲般，籠罩在前方的地平線上。問題是這樣 的：近代物理有兩大基本支柱。一個是愛因斯坦的廣義相對論，它提供一個理論架構用來瞭解極大尺度的世界──恆星、 星系、星系團，乃至於廣闊無垠的宇宙本身。另一個則是量子力學，它提供一個理論架構用於瞭解極小尺度的世界──分 子、原子，以至於次原子粒子如電子、夸克。經過多年的研究後，物理學家已經以實驗證實，這兩個理論的所有預測，幾 乎都達到令人難以想像的準確度。但不幸的是，同樣的這兩項理論工具卻也導致另一個令人不安的結論：就它們現今被描 述的形式而言，廣義相對論與量子力學是不可能同時成立的。近百年來，這兩項理論讓人類在解釋宇宙擴張及物質基本結 構兩方面取得驚人進展，然而它們彼此竟是完全互不相容。
如果你從未聽過這樣一個殘酷對立的事實，或許你會納悶情況怎會這麼糟。原因其實很好懂 。因為，除了在某些極端狀況外，物理學家所探討的對象，若不是小而輕的物質（例如原子和其組成元素），便是大而重 的東西（例如恆星和星系），而不會同時既小而輕且大而重。這意味著他們只需單獨運用量子力學或者廣義相對論，而可 以對另一方聲嘶力竭的告誡置之不理。過去五十年以來，這種態度，雖不能說他們因無知而滿足，但也八九不離十。
然而，宇宙是會有極端發生的。在黑洞的中心深處，巨大質量的物質被壓縮到一個微小的尺 寸中。而在宇宙大霹靂（Big Bang）的一瞬間，整個宇宙從一個遠遠小於一顆砂粒的微小塊體中爆發出來。這些領域的現 象便是既微小而又難以置信的巨大，所以需要同時運用量子力學和廣義相對論。由於某些原因（後文會更進一步解釋）， 當量子力學與廣義相對論的方程式開始進行結合時，便會像快掛了的老爺車那樣搖搖晃晃、嘎嘎作響，而且還冒煙。更直 接地說，經由這二個理論的勉強拼湊，這些很有深度的物理問題，將引出無意義的答案。縱使你不想揭開黑洞內部深處和 宇宙最初狀況的神秘面紗，仍不得不感到量子力學與廣義相對論之間的敵視與對立，正迫切需要一個更深入的理解層次。 難道宇宙在它最基礎的層次真的被區分成極大、極小兩塊，需要兩套互不相容的定律嗎？
超弦理論，一個與量子力學和廣義相對論相較下像是後起之秀的新理論，以它響亮的聲音回 答：不需要！在過去的十年中，經過全球物理學家和數學家熱烈的研究顯示，利用這種描述物質最基礎層次的新方法，可 以化解廣義相對論與量子力學的緊張關係。事實上，超弦理論更進一步地證實：在新的架構下，廣義相對論和量子力學彼 此需要相輔相成才會有意義。因此，這兩個處理大、小物體的定律之間的婚姻關係不只是快樂的，而且也是無可避免的。
好消息還不只於此。事實上超弦理論──簡稱弦論──把這個結合更向前推進了一大步。愛 因斯坦曾花費三十年的時間尋求一個統一性的理論，企圖將所有自然力及物質組成編織成單一一幅優美的理論織綿畫。但 是他失敗了。如今，在新千禧年的拂曉時刻，弦論的擁護者宣稱這個隱晦的統一性美景終於要被揭開。弦論有潛力證明宇 宙間所有奇妙的事件──從狂野亂舞的次原子夸克到跳著曼妙華爾滋的雙星、從大霹靂的原初火球到銀河系的雄偉漩渦─ ─都只是一個偉大物理原理、一個基本方程式的反射映像。
弦論的這些特色要求我們徹底地改變過去對空間、時間與物質的理解，因此需要一些時間來 熟悉適應，才能接受並習慣它的主張。但正如我們將說明的，弦論的出現雖然戲劇性，但它是過去百年來物理學革命性發 現一路發展下來，再自然不過的結果。事實上，我們將發現廣義相對論與量子力學的衝突，只是過去這個世紀中一連串重 大衝突中的第三個，而不是第一個，而每一次衝突的解決都導致我們對宇宙的認知做一次令人震驚的改觀。
三大衝突
第一次衝突可回溯至十九世紀末，我們對光的運動性質的困惑。簡單地說，依據牛頓的運動 定律，只要跑得夠快，你將可以追得上一道遠離的光束，但是馬克士威（James Clerk Maxwell）的電磁定律卻告訴你做 不到。我們將在第二章談到，愛因斯坦用狹義相對論來解決這個衝突，而這也徹底顛覆我們對空間與時間的認識。依照狹 義相對論，空間與時間不再是每個人體驗起來毫無二致的普遍概念。愛因斯坦重寫的時間與空間具有可塑性，其形式與表 現係取決於觀察者的運動狀態。
狹義相對論的發展直接導致第二次衝突。愛因斯坦研究的結論之一是：任何物體──事實上 是任何形式的作用或干擾──都不能超越光速。但正如我們將在第三章談到的，實驗證實而且符合直覺的牛頓重力理論包 含了一種能夠瞬間穿越廣大空間的超距力。愛因斯坦再度介入，他在1915年提出廣義相對論，以對重力的新觀點來解決這 個衝突。正如狹義相對論一樣，廣義相對論再次顛覆我們過去對空間與時間的觀念。空間與時間不僅受到運動狀態的影響 ，它們同時也會因物質或能量的存在而彎曲。而正如我們將看到的，時空結構的扭曲便可將重力從一地傳送到另外一地。 因此，空間與時間不再被視為是沒有生氣的背景，只是為宇宙事件提供一個表演舞台，而是經由廣義及狹義相對論，與所 有宇宙事件擁有著親密的互動。
同樣的模式又再度重演：廣義相對論的發現雖然解決了一個衝突，卻產生了另一衝突。二十 世紀開始的前三十年當中，物理學家發展了量子力學（詳述於第四章），以因應將十九世紀的物理應用在微觀世界時所引 發的那一大堆刺眼的問題。而如上所述，這第三次且最深的衝突便源自於量子力學和廣義相對論之間的不相容。我們將在 第五章發現，廣義相對論所推導出的平緩彎曲的空間幾何形式，與量子力學所發現的狂亂的、翻騰的宇宙微觀行為不合。 直到1980年代中期，弦論提供解決之道之前，此一衝突被視為現代物理學的主要問題。然而建立在狹義及廣義相對論之上 的弦論，要求更進一步地對空間與時間的觀點作徹底的改頭換面。例如，我們大多數人認為宇宙擁有三個空間維度。但根 據弦論而言並非如此，弦論宣稱宇宙另外還有更多肉眼看不到的維度──這些維度緊緊地捲曲在宇宙的結構中。這些對空 間與時間本質的深刻洞察是如此重要，我們將以它們做為全書的引導主題。事實上，弦論正是一部自愛因斯坦以來人類對 時空本質所作研究發展的故事。
為了體會弦論的真實意涵，我們必須倒回一步，簡略地描述我們在上個世紀所得知有關宇宙 的微觀架構。
宇宙最小處：我們對物質的了解
古希臘人推測宇宙的材料是由微小的「不可分割的」成份所組成，他們稱之為原子。正如拼 音語言的大量字彙是由少數的字母所組合出來的，他們猜測各式各樣的有形物體可能也是由少數不同的、基本的建構單位 所組合而成。這是一個前瞻性的猜測。兩千年之後，雖然物質組成的最基本單位已經歷經多次的修正，但是我們仍然相信 這樣的猜測是正確的。十九世紀的科學家證明很多熟悉的物質，例如氧和碳，都有一個可辨別的最小成份；他們沿襲希臘 傳統思想將之稱為原子。雖然歷史已經證實它是一個錯誤的名稱，因為原子實際上是「可分割的」，但這名稱仍被沿用。 在1930年代初期，湯普生（J. J. Thomson）、盧瑟福（Ernest Rutherford）、波爾（Niels Bohr）和查德威克（James Chadwick）的工作匯集建立了我們大多數人所熟悉的類似太陽系的原子模型。原子並非是最基本的物質成份，它包括一個 內含質子和中子的核心，並被一群電子所包圍。
當時許多物理學家認為那些質子、中子、和電子是希臘人所以為的「原子」。但是1968年在 史丹佛線性加速器中心，實驗學家利用日漸精進的技術去探測物質的微觀深度，發現質子和中子都不是最基本的。實驗學 家進一步證明它們分別都是由三個稱為夸克（quark）的更小粒子所組成──夸克這個古怪的名字是由預測它們存在的物 理學家葛爾曼（Murray Gell-Mann）取材自喬伊斯（James Joyce）所寫的《芬尼根的守靈夜》（Finnegan's Wake）一書 。實驗學家確認了夸克本身有兩種，並且很沒創意地稱呼它們為上夸克和下夸克。質子由兩個上夸克和一個下夸克所組成 ；中子由一個上夸克和兩個下夸克所組成。
地球上的萬物都是由電子、上夸克和下夸克組合而成。沒有實驗證據指出這三種粒子中，有 任何一種粒子是由更小的東西所構成。但是有大量的證據指出宇宙本身有其它的粒子成份。在1950年代中期，萊納斯（ Frederick Reines）與柯文（Clyde Cowan）發現第四種基本粒子──微中子（neutrino）──的確切的實驗證據；在 1930年代初期，保利（Wolfgang Pauli）已經預測此種粒子的存在。微中子本來是非常難被發現；因為它們是幽靈般的粒 子，極少與其它物質相互作用：一個一般能量的微中子能通過數兆英哩厚的鉛塊，而其運動絲毫不受影響。這樣應使你寬 慰不少，因為當你讀到這段話時，數十億個從太陽彈射到太空中的微中子正穿越過你的身體與地球，那只是它們穿越宇宙 的孤獨旅行的一部份。另外在1930年代後期，物理學家在研究宇宙射線（從外太空轟擊地球的粒子雨）時，發現了稱為μ 子的粒子，它除了重量比電子重約200倍外，與電子完全相同。在宇宙的規律中，沒有任何東西、任何未解的疑惑、任何 特定的位置需要μ子的存在，所以諾貝爾獎得主物理學家拉比（Isidor Isaac Rabi）對發現μ子的反應只是冷淡地說： 「誰需要這東西？」雖然如此，它就是存在著。而且有更多粒子跟著被發現。
物理學家使用更強大的技術，不斷地讓小塊物質在愈來愈大的能量下彼此轟擊，短暫地重建 大霹靂以來未曾見過的狀況。在殘骸中，他們找尋新的組成物質的基礎成份，於是基本粒子的名單也就愈來愈長。他們已 經發現的粒子包括：四種新的夸克──魅夸克（charm）、奇夸克（strange）、底夸克（bottom）、頂夸克（top）── 和另一種較μ子更重的電子表親叫τ子（tau），還有其它兩種性質類似於微中子的粒子（稱為μ微中子與τ微中子，用 以和原來叫微中子而現在叫電微中子的粒子有所區隔）。這些粒子經由高能碰撞而產生，僅能短暫存在；他們不是我們平 常見到的任何東西的基本成份。但故事還沒有結束。這些粒子每一種都有一個反粒子配偶──質量相同但某些其它方面， 例如電荷（和以下將討論的其它作用力荷）相反的粒子。例如，電子的反粒子稱為正電子──它和電子擁有相同的質量， 但它的電荷為+1，而電子的電荷則是-1。當兩者相接觸，物質和反物質將彼此消滅而產生純能量──那就是為什麼極少有 反物質存在於我們週遭世界的原因。
物理學家在這些粒子中已經識別出一模式，如表1.1所示。物質粒子恰好分成三個群組，通常 稱為家族。每個家族包含了二種夸克，和一個電子或是它的表親，與一種微中子。這三個家族裡對應的粒子型態除了質量 以外都有相同的性質，而質量在這三個家族中依序增加。物理學家現在已經探測物質的結構到大約百萬兆分之一公尺的尺 度，並證明迄今所遭遇的每件東西──不論它是自然產生或是經由巨大的粒子對撞機以人工方式產生──都是由這三個家 族及其反物質配偶的粒子所組成。
乍看表1.1應該給你比拉比對發現μ子的迷惑有著更強烈的感受。雖然整理成家族後至少看起 來比較整齊，但是無數的「為什麼」跳到面前。特別是在我們週遭世界中，絕大多數的東西似乎只需要電子、上夸克和下 夸克時，為什麼還要有這麼多的基本粒子呢？為什麼有三個家族呢？為什麼不是一個、四個、或是其它任意數字呢？為什 麼這些粒子擁有看似隨機的質量分佈──例如，為什麼τ子的重量比電子重約3,520倍呢？為什麼頂夸克的重量比上夸克 重約40,200倍呢？這是多麼奇怪且看似隨機的數字。它們是偶然發生、還是造物主的選擇？或者是有一個可理解的科學方 式來解釋宇宙中的這些基本性質？
作用力、光子在那裡
當我們考慮自然界的作用力時，事情只會變得更加複雜。我們周圍的世界充滿著作用力的影 響：用球棒擊球、熱愛高空彈跳的人從高臺往下跳、磁鐵使超高速火車懸浮在金屬軌道之上、蓋革計數器感應放射性物質 時嘀嗒作響、核子彈能爆炸。我們經由強力的推、拉、或搖；投擲或發射；延伸、扭曲或擠壓；冷凍、加熱或燃燒來影響 物體。過去百年間，物理學家已累積了足夠的證據，證明形形色色的物體與材料間的所有交互作用，和每日所遭遇其它無 數的交互作用一樣，都可歸納為四種基本作用力的組合。其中之一是重力（gravitational force）。其它三種是電磁力 （electromagnetic force）、強作用力（strong force）、和弱作用力（weak force）。
重力是我們最熟悉的作用力，負責保持地球繞行太陽並維持我們能穩穩地站在地面上。物體 的質量決定了它所能施予和所能感受的重力大小。電磁力是這四種作用力中，另一個我們熟悉的作用力。電磁力帶來所有 現代生活的便利──燈光、電腦、電視、電話──同時，舉凡閃電雷雨的可怕力量以及手掌的溫柔接觸也都得靠電磁力。 微觀而論，粒子的電荷之於電磁力，如同質量之於重力，它決定粒子能發揮多強的電磁力和它對電磁感應的反應。
強作用力和弱作用力是較為陌生的，因為在次原子距離之外它們的強度將會迅速地減弱；他 們是原子核內的作用力。這是為什麼這二種作用力直到近來才被發現的原因。強作用力負責保持質子和中子內部的夸克緊 緊地黏在一起，並保持質子和中子在原子核內緊密地擠在一起。弱作用力最著名的效應是負責像是鈾和鈷等物質的放射性 衰變。
在過去這個世紀，物理學家發現這些作用力有兩種共同特徵。首先，正如我們將在第五章談 論的，在微觀的層次中所有的作用力都有一種相對應的粒子，你可看成是作用力的最小單位或最小力包（packet）。假如 你用一把「電磁的射線槍」發射一道雷射光束──你便是正在發射一束光子，而光子即是電磁力的最小單位。同樣地，弱 作用力場和強作用力場的最小組成成份被稱為弱玻子（weak gauge bosons）和膠子（gluons）的粒子。（膠子這名字是 特別容易瞭解的：你可以把膠子視為把原子核約束在一起的強力黏膠中的細微成分。）1984年，實驗學家終於證實了這三 種作用力粒子的存在及其詳細的性質，記錄於表1.2。物理學家相信重力也有一種相對應的粒子──重力子（graviton） ──但是它的存在仍有待實驗確認。
第二種共同特徵是，就像質量決定重力如何影響一個粒子，以及電荷決定電磁力如何影響粒 子，粒子被授與相當數量的「強荷」和「弱荷」，來決定它們如何被強作用力和弱作用力所影響。（這些性質詳細記錄在 章末註解的表中1。）但是有如粒子的質量等性質，除了可以被實驗物理學家細心地測量出來之外，沒有人能說明為什麼 我們的宇宙是由這些有著特定的質量和作用力荷的特定粒子所構成。
儘管擁有共同特徵，進一步檢驗這些基本作用力本身，只會使問題更加複雜。例如，為什麼 有四種基本作用力呢？為什麼不是五種、三種、或者是一種呢？為什麼這些作用力有如此不同的性質呢？為什麼強作用力 和弱作用力被限制在微小的尺度中運作，而重力和電磁力卻有一個無限的影響區域呢？還有為什麼這些作用力的特徵強度 大小有著如此大的區別呢？
為了體認前一個問題，想像你的左手握著一個電子，而你右手握著另外一個電子，並將這二 個擁有相同電荷的電子相互靠近。當它們之間的電磁的排斥作用使它們分開時，它們之間交互作用的重力的引力卻將它們 拉近。何者較強呢？這是毫無爭議的：電磁的排斥作用較重力強約一百萬兆兆兆（1042）倍！假如你的右手 臂代表重力的強度，你的左手臂必須延伸到超出已知宇宙的邊緣，才能代表電磁力的強度。電磁力未能完全壓倒圍繞我們 世界的重力的唯一原因，是因為大部份物體都由等量的正負電荷構成，而正負電荷的電磁力相互抵消。另一方面，既然重 力總是相互吸引，而且沒有類似的抵消──物質愈多表示重力愈大。但歸根結柢地說，重力是一種極其微小的力。（這事 實說明了以實驗確認重力子存在的困難度。尋找最微小作用力的最小單位是一大挑戰。）實驗也已經顯示強作用力比電磁 力強約一百倍，且比弱作用力強約十萬倍。但我們的宇宙所擁有的這些特徵的理論根據──終極目的──在哪裡呢？
這個問題並不是去討論為什麼某些細節是向某個方向發展，而不向另一個方向發展的無聊空 談；假如物質與作用力粒子的性質有很小的改變，宇宙將會變得非常不一樣。例如，形成週期表中百餘個元素的穩定的原 子核，它們的存在微妙地決定於強作用力和電磁力的強度比值。填塞於原子核中的質子彼此間有電磁排斥；但欣慰的是， 作用於構成它們的夸克之間的強作用力，壓制住排斥作用，並將這些質子緊緊地拴在一起。這兩種作用力的相對強度若有 極小的變化，將輕易地瓦解彼此之間的平衡，導致多數原子核崩潰。此外，如果電子的質量是原有質量的數倍大，則電子 與質子將趨向合併而形成中子，從而吞噬掉氫原子核（宇宙中最簡單的元素，原子核中僅包含一個質子），同時也阻礙了 更複雜元素的生成。在基礎物理如此改變下，依賴穩定原子核的聚變的星體將無法形成。重力的強度也在星體的形成過程 中，扮演重要角色。星體核心中緊密物質的重力作用，提供了核聚變的動力，並造成星體發光發熱。假如重力強度增加， 星體將更緊密地糾結在一塊，並引發原子核反應速率的明顯增加。但正如明亮閃耀的火焰比緩慢燃燒的蠟燭更快耗盡燃料 ，原子核反應速率的增加，將導致如太陽之類的恆星燃燒得更快，對生命的形成將會有毀滅性的影響。另一方面，若重力 的強度明顯地減少，物質將根本無法聚集在一起，從而妨礙了恆星和星系的形成。
我們可以繼續探討下去，但有個概念是清楚的：宇宙之所以是現在這樣的宇宙，是因為物質 及作用力粒子擁有它們現在所擁有的性質。但是對於為什麼它們會擁有這些性質，是否存在一個科學的解釋？
弦論：基本想法
弦論提供一個有力的觀念上的典範，它是第一個回答這些問題的架構。讓我們先瞭解其基 本想法。
表1.1中的粒子是所有物質的「字母」。正如同拼音文字的字母無法再予分割，它們似乎沒有 更進一步的內部次結構。弦論則做了不同的宣告。根據弦論，假如我們能以較大的精確度──一個超出我們現今科技能力 許多等級的精確度──來檢查這些粒子，那麼我們將發現每個粒子並非是點狀的，而是由微小的一維迴圈所組成。像無限 細的橡皮圈一樣，每個粒子包含了一條振動、振盪、舞蹈中的細絲，而不像葛爾曼（Gell-Mann）一樣有文學天分的物理 學家便將之稱為弦。在圖1.1我們圖解說明弦論基本觀念，從一個平常的物質──蘋果──開始，重覆放大它的結構來顯 示其在較小尺度的構成要素。弦論將新的振動迴圈的微觀層次，加入先前已知從原子到質子、中子、電子和夸克的序列中 。
雖然道理並非顯而易見，但是我們將會在第六章中看到，透過將物質的成分由點狀的粒子變 成弦的簡單替換，便解決了量子力學和廣義相對論之間的不相容。弦論從而解開當代理論物理學的中心難題。這是一個極 大的成就，但它只是弦論令人如此興奮的部份原因。
弦論，一切事物的統一理論
在愛因斯坦的時代，強作用力和弱作用力尚未被發現，但他發現即使是二種不同作用力的存 在──重力與電磁力──也深深地令人困擾。愛因斯坦無法接受自然界被建立在如此奢侈的設計上。於是開始他三十年尋 找所謂的統一場理論（Unified field theory）的旅程，他期望能證明這兩個作用力，實際上只是一個偉大的基礎原理的 表現型式。這種唐吉訶德式的探索，將愛因斯坦隔絕在熱衷於探究甫出現的量子力學架構的物理學主流之外。在1940年代 初期，他寫給一位朋友的信中說道：「我已成為一孤獨的老傢伙；只因為不穿襪子而出名，而且還會在特殊場合被當成古 玩展示。」
愛因斯坦的想法其實沒錯，問題只在於他走在時代的太前面。過了半個多世紀後，他的統一 理論的夢想已經成為現代物理學汲汲追尋的聖杯。並且在物理界與數學界，已有相當多的人，愈來愈相信答案就在弦論。 從單一原理──亦即在最微小的層次，每件東西都由振動中的弦組合而成──弦論提供了一個單一的解釋架構，能夠包含 所有作用力和物質。
例如，弦論宣稱已觀測到的粒子性質（資料摘要在表1.1和表1.2中）只是弦振動的諸多方式 中的一種反映。就像小提琴或者鋼琴的琴弦有它們構成樂音及和弦的共振頻率，弦論中的迴圈也一樣有。但我們將發現， 相對於產生音符，在弦論中每一個弦偏好的振動模式均以一個粒子型態出現，其質量和作用力荷都由弦的振動模式所決定 。電子就是弦的一種振動方式，上夸克是弦的另一種振動方式，以此類推。這不是雜亂無章的實驗事實的集合，在弦論中 粒子的性質是一簡單物理特徵的表現：基本弦的共振模式一如音樂般的表現。相同的觀念應用到自然界的作用力也是一樣 。我們將發現作用力粒子也對應於弦的某些振動模式；每樣東西，包含所有物質和所有作用力，都被統一在微觀弦的振動 ──弦所能發出的「音符」──的相同標題之下。
在物理學的歷史中，我們第一次有一個架構能夠說明宇宙賴以建造的每一個基礎特徵。為此 緣故，有時候弦論可能被稱為是「萬有理論」（theory of everything或T.O.E.）或「最終」（ultimate）或「最後」（ final）理論。這些宏偉的敘述名稱象徵物理學可能的最根本理論──一個構成所有事物基礎的理論，一個不需要或者甚 至不允許進一步解釋的理論。實際上，許多弦論學家採取一種更加務實的態度，並在較侷限的意義下思考萬有理論──一 個可以解釋基本粒子性質，和它們彼此間相互作用的作用力性質的理論。堅定的化約論者（reductionist）會認為這完全 不算侷限；原則上從大霹靂到白日夢的萬事萬物，都能夠用物質基本元素的基礎微觀物理過程來描述。化約論者認為，假 如你了解關於構成要素的每件事，你便能了解所有事。
化約論者的哲學常易引發熱烈的爭辯。主張生命和宇宙的奇觀只是微小粒子被物理定律編排 的無意義舞蹈的想法，對很多人來說是既昏昧且十分令人反感。難道喜悅、悲傷或無聊等情感只是腦中的化學反應──是 在分子和原子間的反應，甚至更微觀地說，是表1.1中，實際上只是振動弦的那些粒子間的反應嗎？回應這一系列的批評 ，諾貝爾獎得主溫伯格（Steven Weinberg）在《最終理論之夢》（Dreams of a Final Theory）一書中提醒我們：
在光譜的另一端是化約論的對手；他們駭怕他們所感覺到的現代科學的冷酷。不論他們和他們的世界可能被化約為粒 子或場及其相互作用到什麼程度，那種知識使他們感覺被貶低。……我不會嘗試以談論現代科學如何優美的精神講話來回 應這些批評者，因為化約論者的世界觀的確是冷酷而無人性的。它必須被接受，並非因為我們喜歡它，而是因為那正是世 界運作的方式。
有些人贊同這種嚴厲的觀點，有些人則否。
其他的人則試圖申辯諸如混沌理論之類的發展適足以說明當系統的複雜度增加時，新型態的 定律便會出現。理解電子或夸克的行為是一回事；使用這知識去了解龍捲風的行為則是另一回事。大多數人都同意此一觀 點。但意見的分歧在於那些發生在比單一粒子更複雜的系統中，多樣且往往難以預期的現象本身，是否真的代表了另有一 套新的物理原理在運作；或者此處涉及的原理是衍生出來的，儘管演繹的過程極其複雜難懂，它們仍是源自於統御龐大數 量之基本成份的物理原理。我個人的感覺是它們不代表新且獨立的物理定律。雖然難以用電子和夸克的物理學來說明龍捲 風的性質，但是我認為這是一個計算的難局，而不是需要新物理定律的指標。但同樣地，自然會有人不同意這一觀點。
幾乎無庸置疑的，縱使有人接受堅定的化約論者的立場，但是原理是一回事，實踐則是另一 回事，這也是閱讀本書時所應牢記的。大家幾乎都認同萬有理論的發現絕不表示心理學、生物學、地質學、化學、甚至是 物理學已經被解決，或者在某種意義上被涵括。宇宙是一個如此精彩豐富和複雜的地方，即使我們真的發現了本書所指的 最終理論，科學也不會因此終結。完全相反地：萬有理論──在宇宙最微觀層次的最終詮釋，一個不需要任何更深層解釋 的理論──的發現將提供最堅實的基礎，讓我們得以在它之上建立起我們對世界的理解。它的發現將標示一個開始，而不 是一個結束。最終理論將提供一個不可動搖的自我一致的支柱，永遠確保宇宙是一個可理解的地方。
弦論的現況
本書的中心議題是以弦論來解釋宇宙如何運作，主要強調我們對空間與時間的研究結果的內 涵。不像很多其它的科學發展的報告，這裡所談的理論並不宣稱它自己是一個已經徹底完成、經由嚴謹、密集的實驗所證 實、且為科學界所完全接受的理論。因為，如同我們將在隨後的章節中所談論的，弦論是一個如此高深和精微的理論結構 ，即使在最近二十年它有令人印象深刻的進展，但在我們能宣稱業以完全掌握該理論之前，還有一段長路要走。
因此弦論應被視為仍在進行中的工作，其部份研究成果已經對於空間、時間、和物質的本質 顯示出令人驚異的見解。它主要的成就在於使廣義相對論與量子力學和諧地合而為一。此外，與任何先前的理論不同的是 ，弦論能回答有關自然界最基礎的成份和作用力的最根本問題。同樣重要的是（不過有點難以言辭表達），弦論所提出的 解答以及解答的架構格外優雅。例如，許多看似毫無章法的技術細節的自然性質──像是不同基本粒子的種類和它們各自 的性質──弦論發現它們是由宇宙的幾何性質所決定。假如弦論是對的，我們宇宙的微觀結構將是一個緊密糾纏的多維迷 宮；宇宙中的弦在裡面無止盡地扭轉和震動，韻律地演奏著宇宙定律的節拍。自然界基本建構成份的性質絕對不是偶發的 瑣事，而是原本就和空間與時間的結構深深地糾結在一起。
然而，分析到最後，終歸仍需要切實、可試驗的預測來決定弦論是否真的揭開了那層隱藏宇 宙最深奧神祕的面紗。在我們的理解達到充分的深度去實現這目標之前還需要一段時間，然而正如我們將在第九章所談論 的，在未來十年之內，實驗的檢證或有可能提供有力的間接證據來支持弦論。不妨再舉個例子，在第十三章我們將看到， 弦論最近已經解決關於黑洞所謂貝坎斯汀-霍金（Bekenstein-Hawking）熵的主要問題；二十五年以來，人們嘗試用較傳 統的方式解決這個問題，卻始終遭到它的頑強抵抗。這項成功使我們更加相信弦論即將要提供我們宇宙如何運作的最深奧 理。
維騰（Edward Witten），一位弦論的先驅者、大師，藉由著名的義大利物理學家阿瑪提（ Daniele Amati）的評語來總結這個狀況：「弦論是原屬於二十一世紀的物理學，但卻意外掉落到二十世紀」。所以，就 某種意義而言，那就好像是我們在十九世紀末的祖先得到一部現代的超級電腦，但卻沒有操作指南。經過富創造性的嘗試 錯誤，超級電腦的威力已漸漸明顯，但仍需積極而漫長的努力才能真的可以完全掌握。電腦潛力的暗示，像我們窺見的弦 論的解釋力量，已經提供極強烈的動機去追求完全的功能。今天類似的動機激勵了這個世代的理論物理學家，去追求對弦 論完整而精密之分析性理解。
維騰和在這領域的其他專家的評語顯示，需要幾十年甚至幾百年才能完全發展和了解弦論。 這大概是真的。事實上，弦論的數學是如此的複雜，以致於迄今甚至還不知道這理論的正確方程式。物理學家只能知道它 的近似方程式，甚至連這些近似方程式也依然十分複雜，迄今只能解出一部分。雖然如此，在1990年代後期的一系列令人 鼓舞的突破性發展──那些回答了至今仍難以想像地困難的問題的突破性發展──可能暗示距離對弦論的完全定量理解遠 比當初所預期的還要近得多。全世界的物理學家正在開發強大的新技術來超越目前所使用的眾多近似方法，並以令人振奮 的速度將弦論之謎的不同成分搜集拼湊在一起。
出人意料地，這些發展為重新解釋弦論中早已出現的一些基本觀點，提供了新的有利點。例 如，當你在看圖1.1時，你可能自然想到一個問題：為什麼是弦呢？為什麼不是小飛盤呢？或者是微小的塊體呢？或者是 所有這些可能性的組合呢？如我們在第十二章將看到的，最近的看法證實這些其它型態的成份在弦論中的確扮演重要角色 ，並顯示弦論其實是一個更雄偉的，現在（神祕難解地）稱為M-理論的綜合體的一部份。這些最新的發展將是本書最後數 章的主題。
科學的進展難免會忽走忽停，時快時慢。有時候充滿著大突破；其他時間則像在乾旱時期。 科學家提出一些成果，包含理論的和實驗的。這些成果被大家討論，有時候被拋棄，有時候被修正，有時候則替更加準確 地瞭解物理世界新方法，提供了富有靈感的出發點。換句話說，科學沿著一條曲折的路徑繼續前進到我們期望的最終真相 ；那是一條以人類最原始的探測宇宙的企圖為起點的路徑，其終點無法預知。弦論是否只是這條路徑上一個偶遇的休息站 ，或者是一個劃時代的轉捩點，抑或實際上是最後的目的地，我們不得而知。但經由許多國家數百位專注的物理學家和數 學家在最近二十年的研究，已經讓我們有充分理由相信我們是在一條正確並可能是最後的道路上。
即使以現在的理解層次，也已經讓我們對宇宙的運作獲得顯著的新觀點，這是一個指出弦論 豐富而影響深遠的本質的有力證據。接下來的主軸是向前推進由愛因斯坦的狹義和廣義相對論所引發，對空間與時間理解 的革命性的發展。我們將發現假如弦論是正確的，我們宇宙的結構可能有連愛因斯坦都感到驚奇的性質。