中國科學技術大學前校長朱清時院士
20世紀是人類曆史上一個有趣的時期，這個時期的人類一麵盡情地享受著自然科學創造的巨大物質財富：核能、激光、電子技術等等，一麵卻不了解甚至不接受它的一些基本觀念。其實這些觀念有大量嚴謹的科學根據，不過真正懂得它們的人太少，因此沒有被人們重視和接受。
下麵這則消息就說明了這種狀況：
（中新網）北京2006年8月19日消息：霍金在昨天的科普報告過程中隻贏得了兩三次掌聲，全場幾乎沒有會心的笑——他的理論太玄奧，以至於大多數來自北大、清華的學子都說沒太聽懂。據北京晨報報道，昨天下午，北京國際會議中心排起數百米的長隊。門口有人私下兜售門票——最少500元一張。詢問退票的人也不少，大家都期待著一睹霍金風采。但兩個小時的公眾科普報告尚未結束，已有人提前退場——實在聽不懂。
霍金這次講的“宇宙的起源”，其基礎是當代自然科學的最新成就——弦論。真正懂得這個理論的人，都會產生一種強烈的敬畏、驚訝和震撼感。本文嚐試用大家聽得懂的語言，大致解說一下弦論的主要概念，以期讓讀者體會些許的敬畏和震撼，並一窺宇宙的奧秘。
我們從當代著名的哲學家施太格繆勒（Wolfgang Scegmuller）在《當代哲學上流》~[1]一書中寫的一段名言開始。他寫道：“未來世代的人們有一天會問：20世紀的失誤是什麼呢？對這個問題他們會回答說：在20世紀，一方麵唯物主義哲學（它把物質說成是唯一真正的實在）不僅在世界上許多國家成為現行官方世界觀的組成部分，而且即使在西方哲學中，譬如在所謂身心討論的範圍內，也常常處於支配地位。但是另一方麵，恰恰是這個物質概念始終是使這個世紀的科學感到最困難、最難解決和最難理解的概念。”這就是說，一方麵以“唯物主義”為標記的哲學廣為流行，而另一方麵“物質”究竟是什麼？卻又說不清。施太格繆勒正是在這裏看到了“20世紀的失誤”~[2]。
你可能會問，究竟什麼是物質？它為什麼是科學家感到最困難、最難解決和最難理解的概念？
早在古希臘時代，原子論者就猜想，物質是構成宇宙的永恒的磚塊，萬物從它所出，最後又複歸於它；它不生不滅，不增不減，是世界過程絕對同一的起點和終點。物質作為普通的、不變的東西，必然是絕對的實體和基質。實體者，“實實在在”的客體之謂也。物質及其性質必須獨立於人類的意識而存在，是客觀的實體。
後來，以牛頓力學為基礎的經典物理學，繼承了上述古代原子論的觀點，把物質歸結為具有某些絕對不變屬性的質點的集合。質點概念本來是對作整體運動的固體的一種抽象，但它在液體、氣體乃至熱現象中的應用也獲得了成功。對於所有這些能夠具有機械運動的物質形態，物理學稱之為實物。在當時的自然哲學中，又稱之為實體。把物質歸結為物體，進而把物質看成實體，這同質量在牛頓力學中的特殊地位和作用有關。牛頓之所以把質量定義為“物質多少”的量度，就是因為在任何機械運動過程中，乃至在化學反應中，質量始終如一。質量被理所當然地看成是物質本身所絕對固有的，被看成物質不滅或實體不變原理的具體表現。
以牛頓力學為代表的經典物理學在19世紀末所取得的巨大成功，使得認為物質是絕對實體的唯物主義成了在20世紀處於支配地位的哲學，正如前麵引用的施太格繆勒的名言所講到的。
然而，20世紀愛因斯坦發明的相對論開始揭示出了物質的實體觀的謬誤。首先，相對論證明質量與速度有關，同一個物體，相對於不同的參考係，其質量就有不同的值。
想象一個在推一輛沒有任何阻力的小板車，隻要持續推它，速度就會越來越快；但隨著時間的推移，它的質量也越來越大，起初像車上堆滿了木柴，然後好像是裝著鋼鐵，最後好像是裝著一個地球……當小板車達到光速時，整個宇宙好像都裝在了它上麵——它的質量達到無窮大。這時，無論施加多大力，它也不能運動得再快一些。
當物體運動接近光速時，不斷地對物體施加能量，可物體速度的增加越來越難，那施加的能量去哪兒了呢？其實能量並沒有消失，而是轉化為了質量。愛因斯坦在說明物體的質量與能量之間的相互轉化關係時，提出了著名的質能方程：能量等於質量乘以光速的平方。不久後科學家們發現了核裂變和鏈式反應，把部分質量變成巨大能量釋放出來。現在知道原子彈的人，都相信質量可以轉化成能量。
既然質量不再是不變的屬性，那種認為質量是物質多少的量度的概念就失去了意義。既然物質與能量是可以相互轉化的，能量並非“實體”，物質也就不能再被看作是實體。
與此同時，科學家對物質結構的認識也迅速深入發展。在20世紀30年代以前，經典物理學一直認為：物質是由分子構成的，分子是由原子構成的，原子是組成物質的最小“磚塊”。1932年，科學家經過研究證實：原子是由電子、中子和質子組成的。以後，科學家們把比原子核次一級的小粒子，如質子、中子等看作是物質微觀結構的第三個層次，統稱為基本粒子。1964年，美國物理學家馬雷·蓋爾曼大膽地提出新理論：質子和中子並非是最基本的顆粒，它們是由一種更微小的東西——誇克構成的。為了尋找誇克，全世界優秀的物理學家奮鬥了二十年，雖然一些實驗現象證實了誇克的存在，然而單個的誇克至今未找到，人們始終不識廬山真麵目。對此，粒子學家們的解釋是：誇克是極不穩定的、壽命極短的粒子，它隻能在束縛態內穩定存在，而不能單個存在。
不僅如此，迄今人們所知道的300多種基本粒子中，除少數壽命特別長的穩定粒子（如光子、中微子、電子和質子）外，其他都是瞬息即逝的，也就是說，它們往往在誕生的瞬間就已夭折。例如，通過弱相互作用衰變的粒子有20餘種。其中，丌±介子的壽命大致為2.6×10~-8秒，即丌±介子經過一億分之一秒就衰變成了其他粒子。通過電磁相互作用衰變的粒子共兩種，它們的壽命就要短得多了。丌±介子的壽命是0.84×10~-16秒，門介子的壽命是3×10~-19秒。比起丌±介子來，它們的壽命竟分別要短8～11個數量級。壽命最短的，則要算通過強相互作用衰變的“共振態粒子”（如△粒子、∑粒子等）。它們的夥伴特別多，占基本粒子家族成員的一半以上，共200多種。它們的壽命之短到了驚人的地步，以至於人們很難用確切的形容詞來描述它們的衰變過程；粒子物理學家即使利用最優的實驗手段也已無法直接測量它們，而隻能用間接的方法推算出它們的壽命。它們隻能生活一千萬億億分之一秒左右，即壽命大致是10~-28秒。