在一個能以統一觀點把握宇宙的人看來，整個的造物過程就是一個具有唯一真理和必然發生的過程。
——J 1 達朗貝爾（J 1 D’Alembert）
我覺得我們已經那麼接近弦理論，以至於，在我最樂觀的時候，我不由得會幻想隨便哪一天，這個理論的最終形式都會從天上掉下來，落在某個人的膝頭。但是以更現實的態度來看，我覺得，我們現在正處於建立一種理論的過程之中，它比我們以前所做過的任何探索都要深刻得多，而且進入 21世紀以後很久，在我老得沒法對這個課題做任何有用的思考的時候，年輕一代的物理學家將不得不確認，我們是不是實際上已經發現了這個最終理論。
——愛德華·威騰（Edward Witten）
H 1 G 1 威爾斯（H 1 G 1 Wells）1897年的經典小說《隱形人》（The Invisible Man）以一段離奇的故事開始。在一個寒冷的冬日，外麵天色昏暗，一個著裝怪異的陌生人走了進來。他的臉完全遮蓋著；他戴著一副深藍色的墨鏡，整個臉部都用白色的繃帶綁著。
起先，村民們覺得他可憐，以為那是一次可怕的事故造成的。但是奇怪的事情在村裏接二連三地發生。一天，他的房東太太走進他的空房間，看見衣服在自己走來走去，嚇得大叫起來。她驚恐地向人訴說道，一頂頂帽子在房間裏橫飛，床單跳到空中，椅子在移動，就連“家具也發了瘋”。
很快，整個村子裏有關這類異常現象的流言四起。最後，一群村民聚攏來，追問這個神秘的陌生人。出乎他們的意外，這個人開始緩慢地解開他的繃帶。這群人大驚失色。除去繃帶之後，這個陌生人的臉完全看不見了。事實上，他是個隱形人。人們又叫又喊，亂成一團，村民們試圖追打這個隱形人，但他輕而易舉地就把他們打退。
犯了一係列小過失之後，隱形人認出了一位老相識，並把自己不同尋常的故事告訴了他。他的真名叫格裏芬先生，來自大學學院。雖然他一開始是學醫的，卻偶然發現了一種革命性的方法，可以用來改變肌體的折射和反射特性。他的秘密就是那第四維度。他激動地大聲告訴坎普博士：“我發現了一條通用原理……一個公式，一種涉及到四個維度的幾何表現形式。”
可悲的是，他並不是想用這個偉大的發現來造福人類，而是想要搶劫和私下受益。他提出要把他這位朋友拉進來做同謀。他聲稱，他們兩人一起可以搶遍全世界。但這位朋友被嚇壞了，並把格裏芬先生的形跡報告了警察。由此發生了最後那場搜捕，在此過程中隱形人受了致命傷。
像所有最好的科幻小說一樣，威爾斯的許多故事中都有一定的科學根據。任何一個人，如果他能有辦法進入第四個空間維度（或者人們今天所說的第五維度，因為把時間看做是第四維度），他確實就能夠隱形，甚至能夠具備那些通常被認為隻有鬼神才具備的能力。這會兒，先讓我們來想象一種能夠生活在像桌麵那樣的兩維世界中的神秘生物，就像艾特溫·阿博特（Edwin Abbot）1884年所寫的小說《平坦世界》（Flatland）中所描述的那種。他們在其中生活，不知道在他們的身邊有一個完整的宇宙，也就是有一個第三維度。
但是，如果一位“平坦世界”的科學家進行了一項試驗，使得自己離開桌麵哪怕幾英寸，他就變成隱形的了，因為光線會從他的下麵經過，就好像他不存在一樣。稍稍浮起在“平坦世界”之上，他就能夠看到事物在桌麵上展開。懸浮在超空間，毫無疑問有其優越性，因為任何人，隻要能夠從超空間俯視下來，就能夠具備神仙的能力。
不僅僅是光線可以從他的下麵穿過，使他隱形，他還可以從其他物體上麵穿過。換句話說，他可以隨意消失，並且穿牆過壁。隻需跳入第三維度，他就從“平坦世界”的宇宙中消失了。而如果他跳回桌麵上，他立刻就能無中生有地再次顯形。這樣，他就可以從任何監獄中逃脫。在“平坦世界”中的監獄會是在囚犯四周畫的一個圓圈，所以，隻需簡單地跳進第三維度就跳到監獄外麵來了。
對於超空間的生靈而言，沒有秘密可守。深鎖在金庫中的金子，從第三維度的有利視點可以一目了然，因為那個金庫隻不過是一個敞開的四方形。探進這個四方形中把金子提走而絲毫不打破金庫就會容易得如同兒戲。做外科手術的時候，也不必割開皮膚。
同理，H1 G1 威爾斯所要傳達的想法是，對於一個四維世界來說，我們就像“平坦世界”中的人一樣，根本不知道更高層麵上的生靈說不定就懸浮在我們的頭頂。我們以為，我們所在的世界就是由一切我們看到的東西構成的，殊不知，就在我們的鼻子尖之上可能存在著多少個完整的宇宙體係。雖然另一個宇宙可能就懸浮在我們頭頂，近在咫尺，懸浮在第四維度中，但卻是我們看不到的。
因為超空間的生靈會擁有超出人類之上、通常被說成是鬼神才具備的能力。在另一篇科幻小說中，H1 G1 威爾斯思索的一個問題，就是超自然的生靈是不是可能生活在更高的維度上。他所提出的一個關鍵性的問題，如今已成為人們大量研究和探索的課題：在這些高維度上，會不會有新的物理法則呢？在他 1895 年寫的一部叫做《奇異的探訪》（The Wonderful Visit）的小說中，一位牧師的槍走了火，偶然擊中了一位碰巧路過我們這一維度的天使。由於宇宙中的某個原因，我們的維度臨時性地與一個平行宇宙相遇，使這位天使掉進我們這個世界。在這個故事中，威爾斯寫道：“說不定有不計其數的三維宇宙一個挨一個地擠在一起。”牧師向受傷的天使提問題。當他發現，我們的自然法則在那位天使的世界裏不再適用時，他大為震驚。比如，在這位天使的宇宙中，沒有平麵，而是柱體，所以空間本身是卷曲的。（早在愛因斯坦的廣義相對論之前整整 20 年，威爾斯就已經有了認為宇宙存在於彎曲麵上的想法了。）正像那位牧師所說的那樣：“他們的幾何學與我們的不同，因為他們的空間是彎曲的，所以在他們那裏所有的平麵都是柱體；而且他們的引力定律不遵循反平方律（law of inverse squares），他們不是隻有三原色，而是有24原色。”威爾斯寫下他的故事以後，在一個世紀之後的今天，物理學家們意識到，新的物理法則可能真的存在於平行宇宙中，它們的亞原子粒子、原子以及化學相互作用都另有一套。（在第 9 章中我們將看到，現在正在進行若幹項試驗，探尋可能近在咫尺地懸浮在我們頭頂的平行宇宙。）
超空間的概念激起了藝術家、音樂家、神秘主義者、神學家以及哲學家的好奇心，尤其是在接近 20 世紀開始的時候。根據藝術史家林達·達林普爾·亨德森（Linda Dalrymple Henderson）的說法，巴勃羅·畢加索（Pablo Picasso）創造立體派是受到他對四維空間的興趣的影響。（與此相似，俯視著我們的超空間的生靈也會看到我們的全貌：也就是說，可以同時看到我們的前後左右。）在薩爾瓦多·達利的名畫《超立體基督》（Christus Hypercubus）中，他把耶穌·基督畫成釘在一個解析開的四維立方體上，或稱為“四維意義上的立方體（tesseract）”。在達利的油畫《永恒的記憶》中，他通過熔化的鍾表，試圖傳達把時間視做第四維度的想法。在馬塞爾·杜尚（Marcel Duchamp）的油畫《走下樓梯的裸體，作品2》中，畫的是一個裸體走下樓梯的延時過程，這是一種想要在二維畫布上捕捉時間這一第四維度的又一次嚐試。
M理論
今天，圍繞著“第四維度”的神秘思想和傳說重被提起，但卻是由於一個截然不同的原因，即弦理論的發展，以及它的最新版本：M 理論。在曆史上，物理學家一直不屈不撓地抵製超空間的概念；他們嘲諷那些關於更高維度的想法，認為那是屬於神秘主義者和騙子手的領域。認真提出可能存在不可見世界的科學家一直被人嘲弄。
由於M理論的出現，這一切都改變了。高維度問題現在處於物理學領域深刻革命的中心，這是因為物理學家不得不直麵物理學今天所麵臨的最大問題：也就是廣義相對論和量子理論之間的鴻溝。格外引人注目的是，這兩個理論在最根本的層麵上構成了我們對宇宙的所有物理學知識的總和。目前，隻有M理論有能力把這兩個偉大的、貌似矛盾的宇宙論統一為一個連貫的整體，用以創立一個“萬有理論”。在20世紀提出的所有理論中，唯一有可能像愛因斯坦所說的那樣“解讀上帝的心思”的理論，就是M理論。
隻有在有10個或11個維度的超空間中，我們才能具備“足夠的容積”，把所有的自然力統一到單獨一個精巧的理論中。這樣一個神奇的理論將能夠回答這樣一些永恒的問題：在時間開始之前發生了什麼？時間可以倒轉嗎？維度通道能夠帶我們穿越宇宙嗎？（雖然持批評態度的人說得不錯，要對這個理論進行測試，超出了我們目前的試驗能力，但現在正計劃進行幾個試驗，如果成功，可能會改變這個局麵。我們將在第9章談這個問題。）
過去 50 年中，為創立一個真正統一的理論來描述宇宙，所做的一切的嚐試最終都很不體麵地失敗了。從概念上來講，這很容易理解。廣義相對論與量子理論在幾乎所有方麵都恰恰相反。廣義相對論是最宏觀事物的理論：如黑洞、大爆炸、類星體，以及正在膨脹的宇宙。它的基礎是平滑表麵的數學，就像床單和網狀蹦床那樣。量子理論正相反：它描述的是最微觀的世界，如原子、質子和中子，以及誇克。它是基礎，是一種稱做量子的離散包理論。與相對論不同，量子理論聲稱，我們所能計算的，隻有事件的概率，因此我們永遠不可能確切地知道一個電子究竟在什麼位置上。這兩個理論的基礎，在數學、假說、物理原理和涉及的領域方麵都不一樣。難怪所有想把它們統一起來的嚐試都舉步維艱。
物理學巨匠，例如追隨過愛因斯坦的歐文·薛定諤、沃納·海森堡、沃爾夫岡·泡利及亞瑟·愛丁頓，都曾在統一場理論方麵一試身手，但到頭來都失敗得很慘。1928年，愛因斯坦以他早期版本的統一場理論，偶然引發了一場媒體炒作。《紐約時報》甚至發表了這篇論文的一些章節，包括他所列的一些方程式。一百多名記者蜂擁擠在他家門外。遠在英格蘭的愛丁頓寫信給愛因斯坦，評論說：“在倫敦我們一家最大的百貨商場（塞爾弗裏奇百貨〔Selfridges〕），你的論文被貼在櫥窗中（6頁緊挨著粘貼），好讓過路行人從頭到尾讀上一遍，我想你聽了一定會發笑。大批的人群聚在一起讀這篇論文。”
1946年，歐文·薛定諤也犯了個錯，以為他發現了傳說中的統一場理論。倉促之間，他辦了一件在他那個時代不大尋常的事（但如今卻也算不上不尋常了）：他召開了一次記者招待會。連愛爾蘭首相伊蒙·德·瓦列拉都到場聽薛定諤演講。當有人問道，他怎麼能確定他已經最終捕捉到了統一場理論時，他回答說：“我相信我是對的。假如我錯了的話，我豈不成了個十足的傻瓜。”（《紐約時報》最終發表了有關這次記者招待會的報道，並把手稿郵寄給愛因斯坦和其他人，請他們評論。愛因斯坦遺憾地發現，薛定諤隻是再發現了他幾年前提出、後來又拋棄掉的舊理論。愛因斯坦很委婉地作了答複，但薛定諤還是丟了麵子。）
1958年，物理學家傑雷米·伯恩斯坦（Jeremy Bernstein）在哥倫比亞大學聽了一個演講，由沃爾夫岡·泡利講解他那一版本的統一場理論，這是他與沃納·海森堡一起發展起來的。尼爾斯·玻爾當時在聽眾席中，對這個報告不以為然。最後，玻爾站起來說：“我們在後排的人一致確認，你的理論是個瘋狂的理論。但對於你的理論是否夠得上足夠瘋狂，我們之間還有分歧。”
泡利立刻就明白了玻爾的意思：海森堡泡利理論太一般了，太普通了，不可能成為統一場理論。要“解讀上帝的心思”意味著要引進從根本上不同的數學方法和思想。
許多物理學家都確信，在世間萬物背後存在著一種簡單精巧而無法否認的理論，但它同時又是“瘋狂”且“荒謬”至極，而且正因為如此才是真真確確的。普林斯頓的約翰·惠勒（John Wheeler）指出，在 19 世紀，要想對地球上發現的多種多樣的生命形式做出解釋似乎是沒有希望的。但後來查爾斯·達爾文提出了自然選擇學說，就是這樣一個單獨的理論，提供了用以解釋地球上一切生命的起源及多樣化原理的構架。
諾貝爾獎獲得者斯蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）采用了另一種推理方法。在哥倫布之後，在詳細記載了早期歐洲探險者勇敢足跡的地圖上，強烈地顯示了一定存在一個“北極”，但就是沒有直接證據證明它的存在。因為描繪地球的每一張地圖都顯示出了一個巨大的空當，北極應該就位於那塊地方。早期探險家們以此斷定應該存在一個北極，盡管他們之中誰也沒有到訪過那裏。與此相像的是，今天的物理學家像早期的探險家一樣，發現了大量的間接證據，指向存在著一個萬有理論，盡管目前對於這個理論究竟是個什麼樣，還沒有一個普遍一致的意見。
弦理論的曆史
有一個理論顯然“瘋狂”到了“足以”成為統一場理論的程度，這就是弦理論，或M理論。在物理學的編年史中，弦理論的曆史可能是最為怪誕的了。它的發現相當偶然，又被應用於不該用它解決的問題上，於是被棄置一邊默默無聞。但它突然間又冒了出來，作為一種萬有理論。而且到頭來，由於隻要對它做一些小的調整就會破壞這個理論，所以它不是成為一個“萬有理論”，就是成為一個“萬無理論”。
它之所以有這樣一段奇怪的曆史，是因為弦理論是倒著演進的。正常情況下，在像相對論那樣的理論中，人們首先從基本的物理原則著手，然後再把這些原則打磨成一套基本的經典方程式，最後，人們計算對應於這些方程式的量子漲落。弦理論是倒著展開的，是從它的量子理論被偶然發現開始的；對於什麼樣的物理原理才能指導這個理論，物理學家們至今迷惑不解。
弦理論的起源要追溯到 1968 年，當時在日內瓦歐洲原子核研究委員會（CERN）原子核實驗室的兩名青年物理學家，加布裏爾·維內齊亞諾（Gabrielle Veneziano）和鈴木真彥正自己翻閱一本數學書，偶然發現了歐拉的貝塔函數。這是由列奧納多·歐拉（Leonard Euler）在18世紀發現的一個晦澀的數學表達式，它給人一種奇怪的感覺，似乎在描述亞原子世界。他倆驚訝地發現，這個抽象的數學公式似乎是在描述兩個π介子在巨大的能量下碰撞的情形。這個“維內齊亞諾模型”很快在物理學界引起了不小的轟動，足足出現了幾百篇論文試圖對它進行歸納概括，用以描述各種核作用力。
換句話說，這個理論純粹是偶然發現的。高等學術研究所的愛德華·威騰（Edward Witten）（許多人都相信，是他創造性地推進了這個理論所取得的許多令人驚歎的突破）說過：“照理說，20 世紀的物理學家本不應有研究這一理論的殊榮。照理說，弦理論現在還不能夠被發明出來……”
弦理論所造成的轟動我至今還曆曆在目。當時，我還是位於伯克利的加利福尼亞大學的一個物理學研究生。我記得看見物理學家們連連搖頭，聲稱物理學本不應是這個樣子。過去，物理學的基礎通常是要對自然現象進行極為煩瑣細致的觀察，形成一些局部性的假說，比照著數據小心翼翼對所得出的想法進行測試，然後不厭其煩地、一遍又一遍地重複這個過程。而弦理論則是個“靈機一動”的方法，靠的僅僅是對答案進行猜測。如此簡便快捷，到了令人心驚肉跳的地步，怎麼可能會是這樣呢？！
由於即使動用我們最強大的儀器也看不見亞原子粒子，物理學家們就采用了一種雖然粗暴卻很有效的方法來對它們進行分析，用巨大的能量來把它們打碎。耗費了幾十億美元來建立巨大的“原子擊破器”或稱粒子加速器，個個都有好幾英裏長，能夠產生互相迎頭撞擊的亞原子粒子束。然後物理學家對碰撞後的碎塊進行周詳的分析。這個不勝其煩的痛苦過程的目的，是要建立一係列的數據，稱為“散射矩陣”，或“S 矩陣”。這個數據采集過程有關鍵作用，因為它可以把所有的亞原子物理信息編集起來，也就是說，一旦了解了S矩陣，就可以推論出基本粒子的所有特性。
基本粒子物理學的目標之一，就是要為強相互作用預測出S矩陣的數學結構。這個目標極其艱巨，一些物理學家甚至認為它已超出了任何已知的物理學範圍。而維內齊亞諾和鈴木真彥隻是翻看了一本數學書就猜到了S矩陣，由此造成的轟動可想而知。
這個模型與我們迄今為止所見到過的任何東西都完全不同。一般情況下，當有人提出一個新理論的時候（例如誇克），物理學家就試圖對這個理論進行一些修修補補，改變一些簡單的參數（例如粒子的質量或耦合強度）。但是維內齊亞諾模型編製得如此精致，哪怕稍稍改動一下它的基本對稱關係，就會使整個公式作廢。就像一件製作精美的水晶工藝品，任何改變它的形狀的努力都會使它破碎。
那數百篇論文雖然都隻是對它的參數做了一些微不足道的修改，卻已經摧毀了它本來的美，而且至今一個也沒能經受住考驗。為數不多的幾篇現在還能讓人想得起來的論文，都是那些想要理解這個理論為什麼居然有效的，也就是那些試圖揭示其對稱關係的論文。物理學家們最終了解到，原來這個理論根本沒有任何可調整的參數。
雖然維內齊亞諾模型是個非凡卓越的模型，但它也還有若幹問題。首先，物理學家們發現，它隻不過是最終的S矩陣的一個初步近似模型，而非全貌。當時在威斯康星大學的崎田文二、米格爾·維拉索羅（Miguel Virasoro）和吉川圭二意識到，S矩陣可以被看做是一個無窮項級數（infinite series of terms），而維內齊亞諾模型隻是這個級數中第一個也是最重要的一個項。（粗略而言，這個級數中的每個項所代表的是粒子可以有多少種彼此碰撞的方式。他們設定了一些規則，用它們可以近似地建立起更高的項。我在寫自己的博士論文時，決心把這個項目嚴謹地完成，對維內齊亞諾模型做一切可能的修正。我和我的同事L1 P1 於〔L1 P1 Yu〕一起，對該模型修正項的無窮集進行了計算。）
最後，芝加哥大學的南部陽一郎和日本大學的後藤哲夫發現了這個模型得以成立的一個關鍵特性，它的振動著的弦（vibrating string）。（列奧納德·蘇斯金特〔Leonard Susskind〕和霍爾格·尼爾森〔Holger Nielsen〕也沿著這些線索進行了研究。）當一根弦與另一根弦發生碰撞時，它就會產生出一個維內齊亞諾模型所描述的S矩陣。在這個場景中，每個粒子都隻是一個振動，或是弦上的一個音符，別的什麼都不是。（後麵我會詳細闡述這個概念。）
進展非常快。1971 年約翰·施瓦爾茨（John Schwarz）、安德烈·內維烏（Andre Neveu）和皮埃爾·拉蒙德（Pierre Ramond）對弦模型進行了歸納整理，使它有了一個新的叫做“自旋”的量值，這樣它就成為粒子相互作用的實實在在的候選方案了。（就像我們將要看到的那樣，所有亞原子粒子看起來都像微型陀螺一樣地自旋著。每個亞原子粒子的自旋量，以量子單位來計算的話，如果不是像 0、1、2 那樣的整數的話，就是像 1/2，3/2 那樣的半整數。令人叫絕的是，內維烏施瓦爾茨拉蒙德〔Neveu 2 Schwarz 2 Ramond〕弦給出的正是這種自旋模式。）
不過我對此仍然不滿足。這個“雙共振模型”，這是那時人們稱呼它的名字，是一些零散的公式和一般經驗規則的鬆散集合。在那之前的150年間，全部物理學都是以各種“場”為基礎的，這個概念最初是由英國物理學家米歇爾·法拉第（Michael Faraday）提出的。試想由條形磁鐵造成的磁場線。力作用線就像蜘蛛網一樣遍布全部空間。在空間中的每一個點上，你都可以對磁力線的強度和方向進行測量。與此類似，“場”是一個數學客體，在空間中的每一個點上都有不同的值。如此，場的概念是用來測量宇宙中任何一個點上的磁力、電能或核作用力的強度的。由於這個原因，對電、磁、核作用力和引力的基本描述都是建立在場的概念上的。對於弦來說，有什麼理由不一樣呢？當時需要的是一種“弦的場論”，有了它，就可以把這個理論的全部內容歸納到單獨一個等式中去了。
1974年，我決定解決這個問題。我和我的同事，大阪大學的吉川圭二一起成功地演繹出了弦的場論。我們用一個不到一英寸半（3 1 8厘米）長的方程式[10]，就可以把弦理論中包含的所有信息都歸納進去。弦的場論用公式表達出來之後，我必須使物理學界的大部分人信服它的力量和美感。那年夏天，我在科羅拉多州的阿斯潘中心參加了一個理論物理會議，並給一小群經過挑選的物理學家作了一次講座。我當時相當緊張：在場的有兩位諾貝爾獎獲得者，他們是穆雷·傑爾曼和裏查德·費曼，他們擅長提出尖刻的問題，在這方麵是出了名的，經常弄得講演者下不來台。（有一次，史蒂文·溫伯格在做一個講演，他在黑板上畫了一個角，標上字母 W，這叫溫伯格角，是以他的名字命名的。費曼這時就問，黑板上的這個“W”代表的是什麼。溫伯格剛要回答，費曼就大聲喊道：“錯！”〔英文中“錯”的第一個字母就是“W”。——譯者注〕會場上一片笑聲。費曼也可能博得了聽眾一笑，但笑到最後的還是溫伯格。這個角代表的是溫伯格理論中的一個關鍵部分，這個理論把電磁相互作用和弱相互作用統一了起來，就是因為這個理論，後來使溫伯格贏得了諾貝爾獎。）
我在演講中強調，弦的場論可以為弦理論提供最簡單、最有綜合性的途徑，在這之前，弦理論基本上是五花八門的一堆互相脫節的公式。有了弦的場論，整套理論就可以歸納進單獨一個大約一英寸半（3 1 8厘米）長的等式中去，也就是說，維內齊亞諾模型的所有特性、無窮擾動近似 infinite perturbation approximation中所有的項，以及自旋弦的一切特性，都可以從一個簡短得可以裝到一塊餅幹裏去的等式中推導出來。我強調了弦理論的對稱之美，是這種對稱之美賦予了它美感和力量。當弦在時空中移動的時候，它們會拖出一條條像帶子一樣的二維表麵。不論我們用什麼樣的坐標係來描繪這種二維表麵，這個理論都保持不變。我永遠也忘不了，當時我講完以後，費曼走到我麵前說：“我也許不能完全同意弦理論，但你所做的演講是我所聽過的講演中最美的之一。”
10個維度
但是弦理論剛剛起步不久，就很快地解體了。羅格斯大學的克勞德·拉夫雷斯（Claude Lovelace）發現，原有的維內齊亞諾模型中有一個細微的數學瑕疵，除非空間時間有26個維度，否則無法消除。與此相似，內維烏、施瓦爾茨和拉蒙德的超弦模型也隻有在具備了 10 個維度的情況下才可能存在[11]。這一發現使物理學家們震驚。在整個的科學史中，以前從沒聽說過有這樣的事。在其他任何領域裏，我們都不會發現有哪個理論需要挑選適合於它自己的維度。例如，牛頓和愛因斯坦的理論在任何維度中都可以成立。例如，著名的引力平方反比定律在四維空間中可以歸納為一個反轉立方定律（inverse 2 cube law）。然而弦理論卻隻能存在於特定的維度中。
從實際應用的角度來看，這是個災難性的打擊。所有人都相信，我們這個世界存在於三個空間維度（長、寬、高）和一個時間維度中。如果接受一個有 10 個維度的宇宙的話，那就意味著這個理論簡直是科幻小說了。弦理論家們由此成了人們的笑柄。（約翰·施瓦爾茨記得一次裏查德·費曼在電梯裏開玩笑地對他說：“對了，約翰，今天你在多少個維度中生活？”）但是，無論弦物理學家們如何努力去拯救這個模型，它還是很快地消亡了。隻有一些死硬派還在繼續研究這個理論。那是一段孤軍奮戰的時期。
在那些個慘淡年月中，有兩個堅持研究這項理論的死硬派，一個是加利福尼亞工學院的約翰·施瓦爾茨（John Schwarz），還有一個是巴黎高等師範學校的喬埃爾·謝爾克（Jo l Scherk）。到那時為止，人們認為弦模型隻是用來描述強核相互作用的。但這裏麵有個問題：該模型預言了一種粒子，而它在強相互作用中沒有出現，這是個古怪的粒子，它的質量是零，卻擁有兩個量子單位的自旋。所有試圖擺脫這個惱人粒子的努力都歸於失敗。每次要想消除這個自旋2粒子的時候，模型就坍塌了，失去了它的神奇特性。不知怎的，這個不招人待見的自旋2粒子好像藏著整個模型的秘密。
於是謝爾克（Scherk）和施瓦爾茨（Schwarz）大膽地猜測，這個瑕疵也許實際上能帶來好運。如果他們把這個糾纏不清的自旋2粒子解釋為引力子（從愛因斯坦理論中產生出來的引力粒子），那麼這個理論實際上就納入到愛因斯坦的引力理論中去了！（換句話說，愛因斯坦的廣義相對理論隻是作為超弦的最低層振動或音符而出現的。）具有諷刺意味的是，在其他量子理論中，物理學家們都極力避而不談引力，而弦理論卻恰恰要用到引力。（實際上，這正是弦理論吸引人的特性之一，即它必須包含引力，否則這個理論就講不通。）由於有了這樣大膽的一躍，科學家們意識到，原來弦模型是被錯誤地用錯了地方。它本來就不僅僅是個強核相互作用的理論，相反，它是一個萬有理論。正如威騰（Witten）強調過的那樣：“弦理論極其吸引人，因為它把引力硬塞給了我們。所有已知的能夠說得通的弦理論中都包含引力。當我們所知道的量子場理論根本容不下引力的時候，在弦理論中它卻是必不可缺的。”
然而，謝爾克（Scherk）和施瓦爾茨（Schwarz）最有影響的想法卻被所有人都忽視了。如果要用弦理論來既描述引力又描述亞原子世界的話，那就意味著那些弦隻能有10-33 厘米長（即普朗克長度）；換句話說，它們比質子還要小十億倍的十億倍。對於大多數物理學家來說，這是難以接受的。
但是在20世紀80年代中期之前，其他嚐試建立統一場理論的努力都已亂了陣腳。那些天真地想要把引力添加到標準模型上的理論都陷入了超位數的泥潭（我很快就會講到）。每次隻要有人想人為地把引力與其他量子力結合起來的時候，就會出現數學矛盾，把這個理論槍斃。（愛因斯坦相信，也許上帝在創造這個宇宙的時候沒有其他選擇。之所以會這樣，可能是因為隻有一個理論能夠避免所有這些數學矛盾。）
這類數學矛盾有兩種。第一種是超位數問題（problem of infinities）。通常情況下，量子漲落是非常微弱的。量子效應隻是對牛頓的運動定律有一點小修正。這就是為什麼在多數情況下，我們可以在宏觀世界中忽略它們，因為它們太微弱了，覺察不到。但是，當把引力轉換成量子理論以後，這些量子漲落居然變為無窮大，這是毫無道理的。第二個數學矛盾與“例外條件”有關，這是說，當我們把量子漲落加進一個理論中去的時候，這個理論就會發生一些小的失常現象。這些例外條件（anomalies）破壞了理論原來的對稱性，從而使它失去其原有的力。
例如，我們可以想象一位火箭設計師，他必須要設計一艘光滑的流線型的飛船，用以劃過大氣層。火箭必須非常對稱，這樣才能減少空氣摩擦和阻力（這裏指的是圓柱對稱性，也就是，當我們在它的軸線上轉動火箭時，它始終都是同一個形狀；這種對稱性被稱為O（2））。但是有兩個潛在的問題。首先，由於火箭的速度非常高，機翼中會發生振動。對於亞音速飛機來說，這種振動相當小。然而以遠遠超過音速的速度飛行時，這種波動會越來越強，最終把機翼撕扯掉。類似的奇異現象（divergences）不斷困擾著任何一種量子引力理論[12]。一般情況下，它們小到可以被忽略不計，但在量子引力理論中它們就當場發作。
飛船的第二個問題是，船體上可能會出現微小的裂紋。這些瑕疵都使飛船失去其原有的O（2）對稱性。盡管這些瑕疵非常微小，但它們會漫延到最終使飛船解體。同樣的道理，這類“裂紋”也能破壞引力理論的對稱性。
有兩種方法可以解決這些問題。第一種方法是找到一些頭痛醫頭腳痛醫腳式的解決方案，例如用膠把裂紋補一補，用棍子支撐著把機翼加固，希望火箭不要在大氣層中爆炸。曆史上，大多數試圖把量子理論與引力結合起來的物理學家采用的都是這種方法。他們想把這兩個問題糊弄過去。第二種方法是推倒重來，采用新的外形，以及能經受住宇宙航行中巨大壓力的新穎材料。
物理學家們耗費了幾十年的時間，試圖拚湊起一個量子引力理論，到頭來隻是發現它千瘡百孔，充滿了數不清的奇異和例外條件。慢慢地，他們意識到，解決的辦法可能應該是放棄這種頭痛醫頭腳痛醫腳的方式，而采用一種全新的理論。[13]
弦之鬧劇
1984 年，反對弦理論的態勢突然掉轉了方向。加利福尼亞工學院的約翰·施瓦爾茨和倫敦女王學院的邁克·格林（Mike Green）證明，以往曾置那麼多理論於死地的所有那些數學矛盾，在弦理論中全都不存在。那時，物理學家們已經知道，弦理論中不存在數學奇異。但是施瓦爾茨和格林證明，弦理論中也沒有不規則之處（anomalies）。於是，弦理論成了萬有理論的首要候選理論（到了今天，它已成了唯一的候選理論）。
刹那間，一項以往被認為基本沒有生命力的理論又死而複生了。弦理論一下子從一個什麼都不是的理論，變成了一個可以包羅萬象的理論。幾十名物理學家奮力閱讀起弦理論方麵的論文。研究論文像雪片一樣地從世界各地的研究實驗室飛出來。圖書館裏塵封已久的過去的論文一下子成了物理學中最熱門的話題。平行宇宙的想法過去被認為過於離譜，現在則站到了物理學界的中心講壇上，召開了幾百次會議，就這個題目所寫的論文毫不誇張地說有幾萬份。
（有幾次，由於一些物理學家得了“諾貝爾熱病”，事情發展得出了格。1991年8月，《發現》雜誌甚至在其封麵上爆出這種聳人聽聞的標題——“新發現的萬有理論：一名物理學家解決了宇宙的終極之謎。”該篇文章援引一位熱衷於沽名釣譽的物理學家之說，“我不是那種講究謙虛的人。如果這次成功的話，可以夠得上諾貝爾獎了。”他誇口道。當有人批評說，弦理論還隻是處於繈褓期，他反唇相譏道：“弦理論中那些最權威的人士說，還需要400年才能證實弦理論，但我要說，他們應該住嘴。”）
一輪淘金熱上演了。
結果，引來了對“超弦鬧劇”的反彈。正如一位哈佛大學的物理學家所譏諷的那樣：“對弦理論的探索，如果不在哲學係甚至宗教係進行的話，至少應該限於數學係。”哈佛大學的諾貝爾獎獲得者謝爾頓·格拉索（Sheldon Glashow）打頭陣，他把超弦鬧劇與星球大戰計劃相提並論（這項計劃耗費了大量的資源，卻從來沒有測試過）。“我非常高興，我有這麼多的年輕同事都在研究弦理論。”他說，“因為這是一個真正有效的辦法，讓我眼不見心不煩。”當有人問他，對威騰所說的，弦理論有可能在今後50年中主導物理學，就像量子力學在過去50年所占的主導地位一樣，他有什麼看法時，他說：“弦理論主導物理學的方式會像卡魯紮克萊恩（Kaluza 2 Klein）理論（他認為這個理論是乖謬的）在過去 50 年中主宰物理學的情況一樣。這也就是說，絲毫主宰不了。”他是想把弦理論擋在哈佛大學門外。但是，隨著新一代物理學家轉而研究弦理論，即使這孤獨的聲音出自一位諾貝爾獎獲得者，也很快被淹沒了。（哈佛大學從那以後聘用了若幹位年輕的弦理論學者）。
宇宙之音
愛因斯坦有一次說，一項理論所做的物理學描述如果不能做到連小孩子都能懂，那它可能就是個沒用的理論。僥幸的是，弦理論背後就是個簡單的物理學描述，它的基礎是音樂。
根據弦理論，如果你有一架超級顯微鏡，可以用來窺探到電子的中心去，那你所看到的不會是一個點狀的粒子，而是一根振動著的弦。（這根弦非常之微小，隻有10-33 厘米這樣一個普朗克長度，比質子要小十億個十億倍，由於這樣小，所以所有的亞原子粒子看起來都像個點。）如果我們彈撥這根弦，它的振動就會發生變化；其電子說不定會變成一個中微子。再彈撥一下，它說不定會變成一個誇克。事實上，如果你用合適的力度來彈撥它，它會變成任何一種已知的亞原子粒子。就是以這種方式，弦理論可以毫不費力地解釋為什麼有如此多的亞原子粒子。在超弦上沒有別的，隻有可以彈撥出來的各種不同的“音符”。做一個類比來說，在小提琴上，A調、B調或升C調都不是本質所在。隻要簡單地用不同的方式彈撥這根弦，就可以發出音階中所有的音。比如，降B調並不比G調更具什麼本質性。它們都隻不過是小提琴弦發出的音符而已，別的什麼都不是。同樣，電子和誇克都不是具有本質性的東西，弦才是本質性的東西。事實上，宇宙中所有的亞粒子都可以被視為弦的各種不同振動，別的什麼都不是。弦上所發出的各種“和弦”就構成各種物理學定律。
弦可以通過拆分和再對接的方式進行相互作用，由此產生我們在原子中所看到的電子和質子之間的相互作用。就這樣，通過弦理論，我們可以再現所有的原子和核物理定律。可以寫在弦上的“旋律”相當於化學定律。現在，我們就可以把整個宇宙看成一首氣勢恢弘的弦樂交響曲了。
弦理論不僅可以把量子理論中的粒子解釋為宇宙的音符，它也同樣可以解釋愛因斯坦的相對論——它是弦的最低振動，零質量的自旋2粒子可以被解釋為引力子（graviton），也就是引力的粒子或量子。如果我們計算一下這些引力子的相互作用，我們發現它正是以量子形式表達的愛因斯坦的舊的引力論。隨著弦的移動、拆解和重組，它會對空間時間造成巨大的約束力。當我們對這些約束因素進行分析時，我們又一次發現了愛因斯坦原來的廣義相對論。這樣，弦理論可以嚴絲合縫地解釋愛因斯坦的理論，沒有額外的工作要做。愛德華·威騰（Edward Witten）說過，即使愛因斯坦沒有發現相對論，他的這個理論也還是有可能被作為弦理論的一個副產品而被發現出來。廣義相對論從某種意義上來說可以隨手撿來。
弦理論的美，在於它可以比喻成音樂。音樂提供了一種比喻，我們既可以從亞原子層麵上，也可以從宏觀宇宙層麵上用它來理解宇宙的性質。正如著名小提琴家耶胡迪·梅紐因（Yehudi Menuhin）一次寫道的那樣：“音樂是亂中求序的，因為節奏在各行其是中加進了步調一致；旋律使相互脫節的東西前後貫穿；而和弦則從本不相同的東西中找出匹配。”
愛因斯坦也許會寫道，他對統一場論的探索最終會使他得以“解讀上帝的心思”。如果弦理論是正確的，那麼我們現在已經看到，上帝的心思就是在 10 個維度的超空間回響著的宇宙音樂。正如戈特弗裏德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）有一次說的：“音樂是靈魂所做的變相數學練習，連它自己都不知道正在進行演算。”
曆史上，音樂與科學之間的聯係早在公元前5世紀就已經鑄就了，當時希臘的畢達哥拉斯派（Pythagoreans）發現了和聲定律，並把這些定律簡化為數學。他們發現，撥動七弦琴的琴弦所發出的音調與其長度相對應。如果把琴弦加長一倍，則音調就會降低整整一個八度。如果把琴弦縮短三分之二，則音調就會改變五度。這樣，音樂與和弦的定理可以簡化為精確的數字關係。難怪畢達哥拉斯派的座右銘是“萬物皆是數字”。起初，他們對這項結果非常滿意，以至於大膽地將這些和聲定理應用到整個宇宙。但由於物質是極其複雜的，他們的這種努力失敗了。然而，從某種意義上，有了弦理論以後，物理學家們就圓了畢達哥拉斯派的夢。
在對這個曆史關聯做評論的時候，傑米·詹姆斯（Jamie James）有一次說道：“音樂與科學曾（一度）被看成極度密不可分的，誰要敢說它們之間有任何本質區別就會被視為無知，（但現在）如果有人想說它們之間有什麼共同點的話，有些人就會說他是不懂裝懂，另一些人會說他是附庸風雅，更有甚者，兩撥人都會說他是蹩腳的通俗作家。”
超空間中的問題
但是如果超空間確實在自然界中存在，而不是僅僅存在於純數學中，那麼弦理論家們就必須要麵對遠在1921年就困擾著希奧多爾·卡魯紮（Theodr Kaluza）和菲利克斯·克萊恩（Felix Klein）的同樣的一些問題，那時他們建立了世界上第一個高維數理論：這些高維度存在於什麼地方？
卡魯紮，過去是個默默無聞的數學家，給愛因斯坦寫了一封信，建議用五個維度（一個時間維度和四個空間維度）來構建愛因斯坦的方程式。從數學上來講，這不成問題，因為愛因斯坦那些等式以任何維度都可以寫得麵麵俱到。但是那封信中包含了一項令人吃驚的發現：如果人為地把這一個五維方程式中所包含的那些四維部分分離出來，你會自然而然地發現麥克斯韋的光理論，簡直像變魔術一樣！換句話說，隻要我們簡單地加上一個第五維度，麥克斯韋的電磁力理論就從愛因斯坦的引力方程中脫穎而出了。雖然我們看不見第五維度，但第五維度可以形成波紋，而它們是與光波對應的！這是個皆大歡喜的結果，因為過去150年中，一代又一代的物理學家和工程師都不得不死背艱澀的麥克斯韋方程式。而現在，這些複雜的方程式輕而易舉地就從第五維度中我們可以找到的最簡單的振動中顯現了。
想象一池淺水中魚緊貼著荷葉下麵遊動的情景，把它們的“宇宙”想象成隻有兩個維度。我們的三維空間可能就超出了它們的體驗。但是可以有一種方法使它們察覺到第三個維度的存在。如果下雨了，它們可以清楚地看到水波形成的影子沿著池塘的水麵漫延開去。與此類似，雖然我們看不見第五維度，但第五維度中的波紋，在我們看來就是光。
（卡魯紮的理論非常之美，而且非常深刻地揭示出對稱性的力量。後來又證明，如果我們在愛因斯坦原來的理論中加進更多的維度，並使它們振動起來，那麼這些高維度的振動就會再現弱核力和強核力中的W玻色子和Z玻色子，以及膠子！如果卡魯紮推出的體係是正確的，那麼顯然宇宙要比以前所想象的簡單得多。隻須簡單地把越來越高的維度振動起來就可以再現主宰著世界的許多種力量。）