本文是《隱藏的現(xiàn)實(shí)》一書的第四章連載一，作者B·格林 ，譯者李劍龍（筆名Sheldon，科學(xué)松鼠會(huì)會(huì)員）。

從大爆炸到暴脹，追根溯源，現(xiàn)代宇宙學(xué)可以歸結(jié)為一個(gè)核心的科學(xué)理論：愛因斯坦的廣義相對(duì)論。在這個(gè)新的引力理論中，愛因斯坦顛覆了人們關(guān)于時(shí)空是一成不變的剛體的既有觀念；于是，科學(xué)不得不敞開懷抱，迎接一個(gè)千變?nèi)f化的宇宙。能有這樣的成就著實(shí)不易。然而，愛因斯坦還夢(mèng)想著更上一層樓。20世紀(jì)20年代，愛因斯坦收集了一些數(shù)學(xué)彈藥，加上他的幾何直覺，開始著手研究一種統(tǒng)一場(chǎng)論。

愛因斯坦之所以要統(tǒng)一場(chǎng)論，是想尋找一個(gè)框架，把自然界所有的相互作用力都縫在一處，編織成一條和諧統(tǒng)一的數(shù)學(xué)綢緞。為了不讓物理定律們各自為政，愛因斯坦想把所有的定律都融為一體，不分彼此。為此，愛因斯坦付出了數(shù)十年的辛苦努力。歷史證明，這些努力大多徒勞無功—夢(mèng)想過于宏偉，而時(shí)機(jī)尚未成熟。但是，后來人接過了愛因斯坦的衣缽，向最精美的候選理論“弦論”大步走去。

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我在前兩本書《宇宙的琴弦》和《宇宙的結(jié)構(gòu)》中討論過這段歷史，介紹過弦論的基本特性。這兩本書出版以來，弦論的生命力一直飽受公眾質(zhì)疑。出現(xiàn)這樣的狀況并不奇怪。在發(fā)展的歷程中，弦論已經(jīng)作出了一些關(guān)鍵的預(yù)言。通過實(shí)驗(yàn)來對(duì)這些預(yù)言進(jìn)行檢驗(yàn)，我們就能確定弦論的真?zhèn)?。我們即將看到，?種不同的多重宇宙理論是以弦論為基礎(chǔ)的，因此，說明弦論目前的進(jìn)展情況，闡明弦論同實(shí)驗(yàn)結(jié)果和觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系就變得尤為重要。這就是本章要義所在。

統(tǒng)一理論簡(jiǎn)史

在愛因斯坦謀求理論統(tǒng)一的年代，人們只知道兩種基本力的存在，一種是由愛因斯坦的廣義相對(duì)論所描述的引力，另一種是由麥克斯韋方程所描述的電磁力。愛因斯坦想把這兩種力都融合到同一個(gè)數(shù)學(xué)公式中，使自然界的所有作用力成為一個(gè)統(tǒng)一的整體。愛因斯坦對(duì)這個(gè)統(tǒng)一理論抱有很高的期望。他認(rèn)為，19世紀(jì)時(shí)麥克斯韋所提出的理論就是統(tǒng)一場(chǎng)論的原型—確實(shí)如此。在麥克斯韋之前，導(dǎo)線中流過的電荷、小孩的磁鐵所產(chǎn)生的力和照亮地球的太陽光被認(rèn)為是三種毫無關(guān)聯(lián)的獨(dú)立現(xiàn)象。麥克斯韋指出，實(shí)際上這不過是一種科學(xué)意義上的“三位一體”(Trinity)。電流能產(chǎn)生磁場(chǎng);在導(dǎo)線周圍晃動(dòng)磁鐵能產(chǎn)生電流;波浪式的擾動(dòng)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中掀起一陣陣漣漪，就產(chǎn)生了光。愛因斯坦打算將麥克斯韋的統(tǒng)一理論向前推進(jìn)一步，也許這是統(tǒng)一所有自然定律所需的最后一步—統(tǒng)一電磁力和萬有引力。

這個(gè)目標(biāo)并不簡(jiǎn)單，愛因斯坦也并不是隨口說說。他有一種無與倫比的能力，能夠一心一意地投入到自己設(shè)立的目標(biāo)中。在生命的最后30年中，他為這個(gè)理論而癡狂。1955年4月17日，愛因斯坦去世的前一天，他的私人秘書兼管家海倫·杜卡斯(HelenDukas)在普林斯頓醫(yī)院陪他。海倫回憶道，愛因斯坦一直臥病在床，稍微感覺舒服一點(diǎn)兒時(shí)，便要來那幾張寫有方程的草稿紙。他無休無止地?cái)[弄那些數(shù)學(xué)符號(hào)，而大統(tǒng)一理論存在的希望卻越發(fā)渺茫。愛因斯坦沒能迎接第二天的朝陽。他最后作出的那些潦草演算沒有為統(tǒng)一理論提供有價(jià)值的線索。

和愛因斯坦同時(shí)代的人很少像他那樣癡迷于統(tǒng)一理論。在量子力學(xué)的指引下，從20世紀(jì)20年代中期到60年代中期，物理學(xué)家揭開了原子世界的奧秘，學(xué)會(huì)了駕馭原子中蘊(yùn)藏的能量。探尋物質(zhì)基本成分的強(qiáng)烈誘惑毫不掩飾地?cái)[在物理學(xué)家面前。雖然許多人都認(rèn)為統(tǒng)一理論的目標(biāo)很值得贊賞，但在那個(gè)時(shí)代，這個(gè)目標(biāo)不過是一時(shí)興起。當(dāng)時(shí)的理論家正忙著同實(shí)驗(yàn)家攜手合作，共同揭示微觀世界的法則。愛因斯坦去世后，統(tǒng)一理論的工作就被擱置下來。

后來的研究發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦在尋求統(tǒng)一的過程中手段過于狹隘，于是敗得很慘。愛因斯坦不僅沒有重視量子物理的角色(他認(rèn)為，統(tǒng)一理論會(huì)取代量子力學(xué)，所以一開始就不用把量子力學(xué)考慮在內(nèi))，也沒有考慮到實(shí)驗(yàn)揭示的另外2種作用力:強(qiáng)核力(strongnuclearforce)和弱核力(weaknuclearforce)。前者像強(qiáng)力膠一樣把原子核中的粒子粘在一起，而后者則負(fù)責(zé)放射性衰變，同時(shí)起到些別的作用。需要統(tǒng)一的作用力不是2種，而是4種，愛因斯坦的夢(mèng)想看起來更加遙不可及了。

20世紀(jì)60至70年代，形勢(shì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子場(chǎng)論方法不僅可以用在電磁力上，它在弱核力和強(qiáng)核力上的應(yīng)用也很成功。引力之外的這3種作用力都可以用同一種數(shù)學(xué)語言來描述。此外，對(duì)這些量子場(chǎng)理論的詳細(xì)研究表明〔諾貝爾獎(jiǎng)中最著名的成果—謝爾頓·格拉肖(SheldonGlashow)、史蒂芬·溫伯格(StevenWeinberg)和阿卜杜斯·薩拉姆(AbdusSalam)的獲獎(jiǎng)研究，以及格拉肖和他的哈佛同事霍華德·喬治(HowardGeorgi)的后續(xù)研究〕，電磁力、弱核力和強(qiáng)核力之間的關(guān)系暗示著存在一種潛在的統(tǒng)一架構(gòu)。根據(jù)愛因斯坦近半個(gè)世紀(jì)前就已提出的想法，理論家聲稱，這3種看起來形態(tài)迥異的作用力或許真的可以統(tǒng)一為同一種自然界的作用力，它們只不過是這種力的不同表現(xiàn)。

這些研究朝著統(tǒng)一理論邁出了扎實(shí)的步伐，然而在這絢爛的帷幕之下卻隱藏著一個(gè)致命的問題。當(dāng)科學(xué)家把量子場(chǎng)論的方法用在自然界的第4種作用力，也就是萬有引力上時(shí)，計(jì)算失敗了。量子力學(xué)和愛因斯坦描述引力場(chǎng)的廣義相對(duì)論之間矛盾重重，導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果沒有意義。然而，廣義相對(duì)論和量子理論在它們各自的領(lǐng)域內(nèi)(宏觀世界和微觀世界)卻都很成功。統(tǒng)一這兩個(gè)理論時(shí)得到的無意義結(jié)果表明，我們對(duì)自然法則的理解還存在一個(gè)深不見底的裂紋。如果有人證明你手頭的定律是相互矛盾的，那么毫無疑問，這些定律并不正確。理論的統(tǒng)一曾是一種帶有美學(xué)意味的目標(biāo);現(xiàn)在，它又在邏輯上變得勢(shì)在必行。

20世紀(jì)80年代見證了又一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)展。一個(gè)名為超弦理論的新方法引起了全世界物理學(xué)家的注意。這個(gè)理論緩解了廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的沖突，從而為引力進(jìn)入統(tǒng)一的量子力學(xué)架構(gòu)提供了希望。統(tǒng)一理論的超弦時(shí)代來臨了。研究的氣氛非常熱烈，數(shù)學(xué)計(jì)算充斥了成千上萬的期刊版面，超弦理論逐漸血肉豐滿，系統(tǒng)的基礎(chǔ)已初具規(guī)模。一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，給人們留下了深刻的印象，然而超弦理論(簡(jiǎn)稱弦論)的許多方面仍然是未知數(shù)。3

隨后，在20世紀(jì)90年代中期，專心致力于揭開謎團(tuán)的理論家誤打誤撞，將弦論塞進(jìn)了多重宇宙的故事中。研究者們?cè)缇椭溃糜诜治鱿艺摰臄?shù)學(xué)方法引入了各式各樣的近似，因此需要進(jìn)一步完善。

在某些完善的工作提出來以后，研究者們發(fā)現(xiàn)這套數(shù)學(xué)明白無誤地說明，我們的宇宙可能隸屬于一個(gè)多重宇宙。實(shí)際上，弦論的計(jì)算表明，我們的宇宙之外不是一個(gè)多重宇宙，而是數(shù)目眾多、類型各異的多重宇宙。

為了全面掌握這些激動(dòng)人心而又充滿爭(zhēng)議的進(jìn)展，為了評(píng)估這些進(jìn)展在尋找宇宙深層法則過程中所扮演的角色，我們就得以退為進(jìn)，首先了解弦論的現(xiàn)狀。

關(guān)于

本文節(jié)選自《隱藏的現(xiàn)實(shí)》。作者B·格林 ，譯者李劍龍（筆名Sheldon，科學(xué)松鼠會(huì)會(huì)員）

關(guān)于《隱藏的現(xiàn)實(shí)》中文版：平行宇宙是什么？每個(gè)人都聽說過，但又說不清楚。平行宇宙有多少種？離我們有多遠(yuǎn)？那里會(huì)有另一個(gè)你嗎？那個(gè)你過得好嗎？在這本書中，理論物理學(xué)家B. 格林以他招牌式的睿智和幽默帶你踏上9種平行宇宙的科學(xué)旅程，你從科幻作品中產(chǎn)生的一切疑問都會(huì)迎刃而解。