第一個(gè)：愛因斯坦的相對論。它從大尺度上解釋了宇宙，如恒星，星系，星系團(tuán)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。
第二個(gè)：量子力學(xué)。它從小尺度上解釋了分子、原子以及比原子更小的粒子，比如電子和夸克的存在提供了理論框架。量子力學(xué)是由許多科學(xué)家，包括普朗克、海森堡、波爾、薛定諤等人共同提出。
但一個(gè)不幸的消息是，這兩個(gè)理論是不相容的是不同的，夸克的瘋狂舞蹈的運(yùn)行軌跡和天體的規(guī)律運(yùn)行是完全不一樣的。但從宇宙是一個(gè)整體，不應(yīng)該存在兩種完全不同的理論，所以這兩種理論不可能都正確，也就是，有個(gè)理論或者說兩個(gè)理論肯定是錯(cuò)誤的。但是最近科學(xué)家提出了第三種能解釋這兩個(gè)理論的：超弦理論。
也就是本書正要講解的內(nèi)容，它從最基本的層面上描述了宇宙的規(guī)模，緩解了廣義相對論和量子力學(xué)的緊張關(guān)系和不可調(diào)和的矛盾。這是一種“大”的定律和“小”的定律的結(jié)合，讓我們從第三個(gè)視角觀察宇宙。超弦理論極大地改變了我們對空間、時(shí)間、物質(zhì)的認(rèn)知，今天，就讓我們開始這次奇妙的之旅吧。
第一次沖突：在19世紀(jì)末，根據(jù)牛頓的運(yùn)動(dòng)定律，誰如果跑的足夠快，就能趕上過去的光束。但是根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)定律，誰的跑不過光。后來愛因斯坦的狹義相對論解釋了這個(gè)問題，它推翻了時(shí)間和空間的認(rèn)知，時(shí)間和空間并不是固定不變的，它們是靈活多變和運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。后續(xù)我們會(huì)講到。
第二次沖突：愛因斯坦認(rèn)為任何物體都不可能跑得比光快。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，愛因斯坦提出了廣義相對論解決了這個(gè)問題。認(rèn)為空間和時(shí)間不僅是運(yùn)動(dòng)的，而且還可以彎曲?？臻g和時(shí)間結(jié)構(gòu)的這種扭曲將引力作用從一個(gè)地方傳到另外一個(gè)地方。
第三個(gè)沖突：19世紀(jì)的物理學(xué)概念用于微觀世界時(shí)，出現(xiàn)了大量的問題。從1900年此后的30年里，物理學(xué)家們開創(chuàng)了量子力學(xué)，用來解釋微觀世界的宇宙規(guī)律。這些也將在后續(xù)詳細(xì)闡述。
20世紀(jì)80年代中期，弦理論為我們帶來了量子力學(xué)和廣義相對論的調(diào)和的一種解釋框架。同時(shí)再一次顛覆了我們對時(shí)間和空間的概念。比如通常情況下，我們認(rèn)為宇宙是三維的，但實(shí)際上宇宙是11維的。
人類對于宇宙的認(rèn)識(shí)，古希臘人認(rèn)為宇宙萬物應(yīng)該是由一些基本他們稱之為“原子”的原材料組成，而且這些原材料應(yīng)該數(shù)量并不多。就像我們用26個(gè)英文字母組成了千千萬萬的語言和文字世界一樣。
直到19世紀(jì)，科學(xué)家們還認(rèn)為原子是組成宇宙最小的最基本的單位，但是20世紀(jì)30年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子并不是最小的，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。后來很長一段時(shí)間這種理論被延續(xù)。但是在1968年，人類利用強(qiáng)大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)更加微觀的層面。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子都不是最基本的。它們都是由更小的“夸克”組成。夸克分為兩種，上夸克和下夸克。質(zhì)子是由兩個(gè)上可夸克和一個(gè)下夸克組成；中子是由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成。后來，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了更小的粒子，稱之為：中微子，這種中微子并不常見，它們像幽靈一樣，很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，能穿透幾百億千米的物質(zhì)，它們就這樣孤獨(dú)地，毫無顧忌地在宇宙中穿行。
但我們對微觀世界的探索還沒有結(jié)束，科學(xué)家們又相繼發(fā)現(xiàn)了μ子、四種夸克，粲、奇、底、頂以及π、另外π有兩個(gè)性質(zhì)與中微子相同的粒子。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)粒子都有一個(gè)質(zhì)量相同、電荷相反的反粒子。比如電子的反粒子就正電子，電子的電荷為-1，正電子的電荷為+1。物質(zhì)與反物質(zhì)接觸時(shí)，會(huì)相互湮滅，生成純粹的能量。
那么問題就來了，我們?yōu)槭裁葱枰敲炊嗔Ｗ?？我們周圍的事物似乎只需要電子、上夸克和下夸克就夠了嗎?/p>
在當(dāng)前的物理學(xué)理論中，宇宙存在四種基本力的組合：引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力。
引力大家比較熟悉，我們能在站在地球表面，也就是引力的作用，牛頓也提出了萬有引力定律。物體質(zhì)量和引力之間存在直接關(guān)系。
電磁力也是比較熟悉的，它是現(xiàn)代生活中一切方便的動(dòng)力，比如光、計(jì)算機(jī)、電視、電話等信號(hào)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(qiáng)的電磁力，對電磁力的反應(yīng)有多大都是粒子電荷決定的。
但是，強(qiáng)力和弱力對大家來說就比較陌生了。因?yàn)樗鼈冊诔^亞原子尺度之外就完全失效了。它們是作用在原子核中的力，強(qiáng)力將夸克“膠結(jié)”在質(zhì)子和中子內(nèi)部，又把質(zhì)子和中子緊緊地捆綁在一起塞進(jìn)原子核。弱力最為人熟悉的作用是物質(zhì)的放射性衰變。
第一：在微觀層面，所有的力都關(guān)聯(lián)著一個(gè)粒子，我們可以把那些粒子想象成為最小的力元。
第二：力由某種“荷”來決定，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，粒子還被賦予一定的“強(qiáng)荷”和“弱荷”，它們決定著粒子如何感應(yīng)強(qiáng)力和弱力的作用。
但是關(guān)于宇宙的力，我們還是有很多疑問，比如為什么只是4種，不是5種或者6種？為什么強(qiáng)力和弱力只在微觀的尺度上才發(fā)生作用等等。
在宏觀上的廣義相對論和微觀上的量子力學(xué)基礎(chǔ)上，物理學(xué)家們提出了能融合兩種理論，并且能有效解決當(dāng)前未解之謎的問題的更加基礎(chǔ)的理論：超弦力量。
如下圖所示，以前我們從原子走到質(zhì)子、中子、電子和夸克，現(xiàn)在超弦在它的前面添加了一個(gè)基本的微觀振動(dòng)線圈，這個(gè)基本的粒子稱之為弦，是類似一個(gè)閉環(huán)的橡皮筋一樣的物質(zhì)。在超弦理論中，宇宙萬物是由振動(dòng)的絲弦組合構(gòu)成的，弦理論提供了一個(gè)能囊括一切力和物質(zhì)的解釋框架。比如弦理論認(rèn)為不同的粒子的性質(zhì)是由弦的不同振動(dòng)方式?jīng)Q定的，粒子的質(zhì)量和力荷有弦的振動(dòng)模式?jīng)Q定。電子和夸克都是以某種方式振動(dòng)的弦。粒子的性質(zhì)絕非一堆混亂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，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。
弦理論的提出，是物理學(xué)史上第一次有了一個(gè)能解釋宇宙以及構(gòu)成的所有基本特征的理論框架，是一種被認(rèn)為或者說期待的包羅萬象的理論。盡管過去20多年，超弦理論取得了巨大的進(jìn)步，但其實(shí)還是一個(gè)發(fā)展中的理論，還不完成成熟，還需要科學(xué)家們不懈的努力，去一步步解開宇宙的奧秘。
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