正如第七章所解釋的，麻煩在于不確定性原理意味著甚至“空的”空間也是充滿了虛的粒子和反粒子，這些粒子對具有無限的能量，并且由愛因斯坦的著名方程e＝mc2可知，這些粒子具有無限的質(zhì)量。這樣，它們的引力的吸引就會將宇宙卷曲到無限小的尺度。

相當(dāng)類似地，在其他部分理論中也發(fā)生頗似荒謬的無限大，然而，所有這些情形下的無限大都可用稱之為重正化的過程消除掉。這牽涉到引入其他的無限大去消除這些無限大。雖然在數(shù)學(xué)上這個技巧相當(dāng)令人懷疑，而在實(shí)際上似乎確實(shí)行得通，并用來和這些理論一起作出預(yù)言，這預(yù)言極其精確地和觀測相一致。然而，從企圖找到一個完全理論的觀點(diǎn)看，由于重正化意味著質(zhì)量和力的強(qiáng)度的實(shí)際值不能從理論中得到預(yù)言，必須被選擇以去適合觀測，因此重正化有一嚴(yán)重的缺陷。

試圖將不確定性原理合并到廣義相對論時，人們只有兩個可以調(diào)整的量：引力強(qiáng)度和宇宙常數(shù)的值。但是調(diào)整它們不足以消除所有的無窮大。所以人們得到一個理論，它似乎預(yù)言了諸如空間一時間的曲率的某些量真的是無窮大，但是觀察和測量表明它們地地道道是有限的！奇書人們對于合并廣義相對論和不確定性原理的問題懷疑了許久，直到1972年才為仔細(xì)的計算所最后確證。4年之后，人們提出了一種叫做“超引力”的可能的解答。它的思想是將攜帶引力的自旋為2稱為引力子的粒子和某些其他具有自旋為3/2、1、1/2和0的新粒子結(jié)合在一起。在某種意義上，所有這些粒子可認(rèn)為是同一“超粒子”的不同側(cè)面。這樣就將自旋為1/2和3/2的物質(zhì)粒子和自旋為0、1和2的攜帶力的粒子統(tǒng)一起來了。自旋1/2和3/2的虛的粒子反粒子對具有負(fù)能量，因此抵消了自旋為2、1和0的虛的粒子對的正能量。這就使得許多可能的無限大被抵消掉。但是人們懷疑，某些無窮大仍然存在。然而，人們需要找出是否還留下未被抵消的無窮大，這計算是如此之冗長和困難，以至于沒有人會準(zhǔn)備著手去進(jìn)行。即使使用一個計算機(jī)，預(yù)料至少要用4年功夫，而且犯至少一個或更多錯誤的機(jī)會是非常高的。這樣，只有其他人重復(fù)計算，并得到同樣的答案，人們才能判斷已取得了正確的答案，但這似乎是不太可能的！

盡管存在這些問題，盡管超引力理論中的粒子似乎不與觀察到的粒子相符合的這一事實(shí)，大部分科學(xué)家仍然相信，超引力可能是對于物理學(xué)統(tǒng)一問題的正確答案。看來它是將引力和其他力相統(tǒng)一起來的最好辦法。然而1984年，人們的看法顯著地改變?yōu)楦矚g所謂的弦理論。在這些理論中，基本的對象不再是只占空間單獨(dú)的點(diǎn)的粒子，而是只有長度而沒有其他線度、像是一根無限細(xì)的弦這樣的東西。這些弦可以有端點(diǎn)（所謂的開弦），或它們可以自身首尾相接成閉合的圈子（閉弦）（圖和圖）。在每一時刻每一個粒子占據(jù)空間的一點(diǎn)。這樣，它的歷史可以在空間一時間用一根線代表（“世界線”）。另一方面，在每一時刻一根弦占據(jù)空間的一根線。所以它在時空里的歷史是一個叫做世界片的二維面（在這世界片上的任一點(diǎn)都可用兩個數(shù)來描述：一個指明時間，另一個指明這一點(diǎn)在弦上的位置。）一根開弦的世界片是一帶子，它的邊緣代表弦的端點(diǎn)通過時空的路徑（圖）；一根閉弦的世界片是一個圓柱或一個管（圖）；一個管的截面是一個圈，它代表在一特定時刻的弦的位置。

圖、圖

兩根弦可以連接在一起，形成一根單獨(dú)的弦。在開弦的情形下只要將它們端點(diǎn)連在一起即可（圖）；在閉弦的情形下，像是兩條褲腿合并成一條褲子（圖）。類似地，一根單獨(dú)的弦可以分成兩根弦。在弦理論中，原先以為是粒子的東西，現(xiàn)在被描繪成在弦里傳播的波動，如同振動著的風(fēng)箏的弦上的波動。一個粒子從另一個粒子發(fā)射出來或者被吸收，對應(yīng)于弦的分解和合并。例如，太陽作用到地球上的引力，在粒子理論中被描述成由太陽上的粒子發(fā)射出并被地球上的粒子所吸收的引力子（圖）。在弦理論中，這個過程相應(yīng)于一個h形狀的管（圖）（弦理論有點(diǎn)像管道工程）。h的兩個垂直的邊對應(yīng)于太陽和地球上的粒子，而水平的橫杠對應(yīng)于在它們之間傳遞的引力子。

圖、圖

圖、圖

弦理論有一個古怪的歷史。它原先是60年代后期發(fā)明來試圖找出一個描述強(qiáng)作用的理論。其方法是，諸如質(zhì)子和中子這樣的粒子可被認(rèn)為是一根弦上的波動。這些粒子之間的強(qiáng)作用力對應(yīng)于連接于其他一些弦之間的弦的片段——正如蜘蛛網(wǎng)一樣。這弦必須像具有大約10噸拉力的橡皮帶，才能使理論給出粒子之間強(qiáng)作用力的觀察值。

1974年，巴黎的朱勒·謝爾克和加州理工學(xué)院的約翰·施瓦茲發(fā)表了一篇論文，指出弦理論可以描述引力，但是只不過其張力要大得多，大約是1000萬億億億億噸（1后面跟39個0）。在通常尺度下，弦理論和廣義相對論的預(yù)言是相同的，但在非常小的尺度下，比10億億億億分之一厘米（1厘米被1后面跟33個0除）更小時，它們就不一樣了。然而，他們的工作并沒有引起很大的注意，因?yàn)榇蠹s正是那時候。大多數(shù)人拋棄了原先的強(qiáng)作用力的弦理論，而傾心于夸克和膠子的理論，后者似乎和觀測符合得好得多。謝爾克死得很慘（他受糖尿病折磨，在周圍沒人給他注射胰島素時昏迷死去）。這樣一來，施瓦茲幾乎成為弦理論的唯一支持者，只不過現(xiàn)在設(shè)想的弦張力要大得多而已。

1984年，因?yàn)閮蓚€明顯的原因，人們對弦理論的興趣突然復(fù)活。一個原因是，在證明超引力是有限的，以及解釋我們觀察到的粒子的種類方面，人們未能真正取得進(jìn)展。另一個原因是，約翰·施瓦茲和倫敦瑪麗皇后學(xué)院的麥克·格林發(fā)表的一篇論文指出，弦理論可以解釋內(nèi)稟的左旋性的粒子存在，正如我們觀察到的一些粒子那樣。不管是什么原因，大量的人很快開始作弦理論的研究，而且發(fā)展了稱之為異形弦的新形式，這種形式似乎能夠解釋我們觀測到的粒子類型。奇qisuu書網(wǎng)

弦理論也導(dǎo)致無窮大，但是人們認(rèn)為，它們在一種類似異形弦的變體中會被消除掉（雖然這一點(diǎn)還沒被確認(rèn)）。然而，弦理論有更大的問題：似乎只有當(dāng)時空是十維或二十六維，而不是通常的四維時它們才是協(xié)調(diào)的！當(dāng)然，額外的時空維數(shù)是科學(xué)幻想的老生常談；的確，它們幾乎是必不可少的，因?yàn)榉駝t相對論對人們不能旅行得比光更快的限制意味著，由于要花這么長的時間，以至于在恒星和星系之間的旅行成為不可能。科學(xué)幻想的辦法是，人們可以通過更高的維數(shù)抄近路。這一點(diǎn)可用以下方法描述。想像我們生活的空間只有二維，并且彎曲成像一個錨圈或環(huán)的表面（圖）。如果你是處在這圈的內(nèi)側(cè)的一邊而要到另一邊去，你必須沿著圈的內(nèi)邊緣走一圈。然而，你如果允許在第三維空間里旅行，則可以直穿過去。

圖

如果這些額外的維數(shù)確實(shí)存在，為什么我們沒有覺察到它們呢？為何我們只看到三維空間和一維時間呢？一般認(rèn)為，其他的維數(shù)被彎卷到非常小的尺度——大約為1英寸的100萬億億億分之一的空間，人們根本無從覺察這么小的尺度。我們只能看到一個時間和三個空間的維數(shù)，這兒時空是相當(dāng)平坦的。這正如一個桔子的表面：如果你靠非常近去看，它是坑坑洼洼的并有皺紋；但若離開一定的距離，你就看不見高低起伏而顯得很光滑。對于時空亦是如此。因此在非常小的尺度下，時空是十維的，并且是高度彎曲的；但在更大的尺度下，你看不見曲率或者額外的維數(shù)。如果這個圖像是正確的，對于自愿的空間旅行者來講是個壞消息，額外附加的維實(shí)在是太小了，以至于不能允許空間飛船通過。然而，它引起了另一個重要問題：為何是一些而不是所有的維數(shù)被卷曲成一個小球？也許在宇宙的極早期所有的維都曾經(jīng)非常彎曲過。為何一維時間和三維空間攤平開來，而其他的維仍然緊緊地卷曲著？

人擇原理可能提供一個答案。二維空間似乎不足以允許像我們這樣復(fù)雜生命的發(fā)展。例如，如果二維動物吃東西時不能將之完全消化，則它必須將其殘渣從吞下食物的同樣通道吐出來；因?yàn)槿绻幸粋€穿通全身的通道，它就將這生物分割成兩個分開的部分，我們的二維動物就解體了（圖）。類似的，在二維動物身上實(shí)現(xiàn)任何血液循環(huán)都是非常困難的。

圖

多于三維的空間維數(shù)也有問題。兩個物體之間的引力將隨距離衰減得比在三維空間中更快。（在三維空間內(nèi)，如果距離加倍則引力減少到1/4。在四維空間減少到1/8，五維空間1/16，等等。）其意義在于使像地球這樣繞著太陽的行星的軌道變得不穩(wěn)定，地球偏離圓周軌道的最小微擾（例如由于其他行星的引力吸引）都會引起它以螺旋線的軌道向外離開或向內(nèi)落到太陽上去。我們就會被凍死或者被燒死。事實(shí)上，在維數(shù)多于三維的空間中，引力隨距離變化的同樣行為意味著，太陽不可能由于壓力和引力相平衡，而存在于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，它若不被分解就會坍縮形成黑洞。