粒子实验为了什么

最令弦理论家高兴的，莫过于堂堂正正地向世界提出一系列详细的能经受实验检验的预言。当然啦，没有经过实验验证的理论是不可能用来描写世界的。不论弦理论描绘的图景多诱人，如果它没能准确描写我们的宇宙，就不过是精巧的“地下城与龙”的游戏。

惠藤骄傲地宣布，弦理论已经做出了激动人心而且经实验证实了的预言：“弦理论具有一个令人瞩目的性质，它预言了引力。”50惠藤这话的意思是，牛顿和爱因斯坦都是因为他们对世界的观察表明存在着引力需要一个准确而和谐的解释，才去创立他们的引力论；而另一方面，研究弦理论的物理学家，即使一点儿不懂广义相对论，也会不可避免地在弦的引导下走向它。弦理论通过零质量的自旋-2引力子振动模式，把引力密密地织入了它的理论结构。正如惠藤说的，“弦理论产生引力论，这是空前伟大的理论发现。”51惠藤也承认，所谓的“预言”应该再贴上“后言”的标签，因为物理学家早在知道弦理论前就发现了引力的理论描述。但他又指出，这不过是地球上的历史巧合罢了。他猜想，在宇宙的其他高等文明里，很可能先发现弦理论，后来才发现引力理论是它的一个动人结果。

我们当然尊重自己星球上的科学史，有很多人认为，所谓引力的“后言”并不是弦理论令人信服的实验证明。多数物理学家更喜欢真正的预言或“后言”，它们要么能通过实验来证明，要么是目前还不能解释的宇宙的某些性质（如电子的质量，或存在三族粒子等）。我们这一章将讨论弦理论家朝着这个目标走了多远。

有讽刺意味的是，我们将看到，尽管弦理论可能是物理学家研究过的最具预言能力的理论——一个有能力解释最基本的自然性质的理论——但物理学家却还拿不出一个足够精确的能面对实验数据的预言。小孩得到了梦想的圣诞礼物，却不知道怎么玩儿——说明书丢了几页。今天的弦理论家也处在这种境地，他们手里可能正握着现代物理学的圣杯，却发挥不了它预言的威力，因为完整的使用手册还没写好。不管怎么说，我们要在这一章说明，运气好的话，弦理论的一个核心特征在10年后可能得到实验验证。如果运气更好些，我们随时都可能证实理论的一些间接特性。

弦理论对吗？我们不知道。如果你也相信物理学定律不该分离成大的和小的两个领域，而且还相信我们应该永不停息地寻找一个没有应用极限的理论，那么，弦理论就是惟一值得考虑的途径。不过，你可能认为，那只能说明物理学家缺乏想象，并不说明弦理论有什么基本的惟一性。也许真是这样。你也可能会说，物理学家留连于弦理论，只是因为变幻多姿的科学史恰好在这个方向上投来一丝光亮，这就像丢了钥匙的人只在街灯的昏暗光影里去寻找。这也可能是真的。而且，假如你有些保守，或者爱玩儿些诡辩，你甚至还可能说，物理学家无权把时间浪费在这样一个幻想的理论上，它所提出的那些自然新特征比我们实验直接探测的任何事物还小几乎20个数量级。

如果你是在20世纪80年代弦理论刚闪亮登场时发这些抱怨，可能我们今天的大多数物理学家都会有同感。例如，80年代中期，哈佛大学的诺贝尔奖获得者格拉肖，还有物理学家金斯帕格（Paul Ginsparg，那时也在哈佛），曾公开批评弦理论没有实验检验的可能：

超弦理论追求的不是传统的理论与实验的统一，而是一种内在的和谐，以精密、独特和优美来决定真理。这个理论的存在，靠的是一些魔幻般的巧合，无穷大在这里奇迹般地消失了，看似毫无关联（也可能尚未发现）的数学领域也奇迹般地联系起来了。难道这些性质能成为我们把超弦当成实在的理由吗？难道数学和美学就这样完全替代并超越实验了吗？52

在别的场合，格拉肖又说，

超弦理论野心勃勃，它要么完全正确，要么完全错误。惟一的问题是数学太新、太难，再过几十年我们也不知道会出现什么结果。53

他甚至提出“物理系是否还应该为弦理论家们掏钱？还让他们去误导不懂事的学生吗？”他警告大家，弦理论在损害着科学，跟中世纪的神学没什么两样。54

费曼在去世前明确表示，他不相信弦理论是解决困扰引力与量子力学和谐统一的问题——特别是令人讨厌的无限大问题——的惟一良方：

我的感觉是——可能是错的——解决问题的途径有很多。我想不会只有一种办法才能摆脱那些无穷大。对我来说，一个理论只凭摆脱了无穷大，还不足以令人相信它就是独一无二的。55

格拉肖在哈佛的同事和伙伴乔基，在20世纪80年代末也是弦理论的积极批评者：

假如我们甘愿沉溺于那种在我们的实验朋友无能为力的小距离尺度的“终极”统一的诱惑，我们就会陷入困境，因为那样我们将无法剔除那些不相干的东西，而正是这个过程才使物理学不同于许多别的不那么有趣的人类活动。56

同许许多多的大问题一样，有积极的反对者，也会有热情的支持者。惠藤说过，当他知道弦理论如何把引力和量子力学结合在一起时，他经历了有生以来“最强烈的思想震撼”。57著名弦理论家、哈佛大学的瓦法（Cumrun Vafa）说，“弦理论无疑前所未有地揭示了宇宙最深层的东西。”58诺贝尔奖获得者盖尔曼也说，弦理论是“很迷人的东西”，他盼着它的某种形式能在某一天成为整个世界的理论。59

我们看到，论战发生在物理学和关于物理学该怎么做的形形色色的哲学之间。“传统论者”希望理论工作走几百年来的成功之路，紧紧与实验观测相联系。但另一些人则认为我们有能力解决当今实验技术不能直接检验的问题。

尽管众说纷纭，在过去的十年间，对弦理论的批判慢慢平息了。格拉肖认为有两个原因。第一，在20世纪80年代中期，弦理论家们曾狂热而野心勃勃地宣扬他们将很快回答物理学的所有问题。现在，他们谨慎多了，我在20世纪80年代的许多批评没有意义了。60

第二，他又指出

我们这些不是弦理论家的人在最近十年里什么进展也没有，关于所以，弦理论是惟一途径的说法，是很有力量的。许多问题不能在传统量子场论的框架下解决，这是明摆着的事情，它们可能由别的东西来解决，而据我所知，那东西就是弦理论。61

乔基差不多也是这样回顾20世纪80年代的：

弦理论在发展之初的许多时候被宣扬过头了。这些年里，我发现弦理论的某些思想引出了有趣的物理学思路，对我自己的研究也很有帮助。现在我更高兴地看到人们在弦理论上付出辛劳，因为我能明白那些有用的东西将如何从中产生出来。1

格罗斯既是传统物理学家，也是弦理论家，他生动地总结了弦理论的状况：

我们像是在攀登大自然这座山，实验家总是赶在前头，我们这些懒散的理论家老是落后。他们偶尔踢下一块石头，砸在我们头上。最终我们会觉悟，并沿着实验家们开辟的路往前走。当我们与实验家走到一起时，我们会告诉他们，我们觉悟了什么，是如何觉悟的。这是最传统也最容易的（至少对理论家来说）登山途径。我们都向往着能回到那些日子。但是现在，我们理论家可能不得不赶到前头了，这是更加孤独的征程。62

理论家并不想在自然的山峦独自登高，他们更愿与实验伙伴们共同经历艰辛，分享快乐。可惜的是，我们的历史不同步，今天的状况不够和谐，理论的登峰工具齐备了，实验的还没有。但这并不是说弦理论与实验分道扬镳了。实际上，弦理论家很可能“踢下一块理论的石头”，从超高能的山巅滚落到山下的实验家们的大本营。这是当今弦理论研究的基本目标。当然，还没有哪块石头从山巅飞落下来，但正如我们现在讲的，的确有几块诱人的石头正摇摇欲坠呢。

如果没有大的技术突破，我们永远也不可能聚焦到能直接看到一根根弦的小尺度上来。物理学家可以用几英里大的加速器探测100亿亿分之一米大小的尺度。探测更小的尺度需要更高的能量，这意味着把能量聚集到单个粒子的机器也应该更大。由于普朗克长度比我们今天能达到的最小尺度低17个量级，用今天的技术，要银河系那么大的加速器才能直接看见一根一根的弦。实际上，特拉维夫大学的努辛诺夫（Shmuel Nussinov）已经证明，这个基本的直观尺度的粗略估计似乎太乐观了，他更详细的研究表明，我们需要的加速器该有整个宇宙那么大。（探测普朗克长度下的物质所要求的能量大约等于1千千瓦小时，差不多是普通空调工作1千小时的耗电量——这看来也不怎么稀奇。最大的技术难题在于如何把这个能量完全集中到一个基本粒子，即一根弦上。）美国国会最终取消了超导超级对撞机（SCS）的资助——那“不过”才86千米的周长——所以，我们用不着焦急盼望有人会拿钱来做普朗克的加速器。如果我们还想用实验来检验弦理论，那只能用间接的方法。我们只好找出弦理论的某些物理结果，在比弦本身尺度大得多的尺度下去观测它们。2

坎德拉斯、霍罗维茨、斯特罗明戈和惠藤在他们“破土奠基”的文章里，向着这一目标迈出了第一步。他们不但发现弦理论中多余的维度应该卷缩成卡-丘空间的形态，还计算了一些可能对弦振动模式产生影响的结果。他们发现的一个主要结果表明，弦理论可能为存在已久的粒子物理学问题带来了令人意想不到的答案。

回想一下，物理学家发现的基本粒子分成三个组织相同的族，后一族比前一族有更大的质量。弦理论出现以前，有一个问题一直令人困惑：为什么粒子成族出现？为什么是三族？弦理论是这样考虑的：典型的卡-丘空间都包含着洞，像唱片或面包圈，甚至像“面包圈链”，如图9.1。在高维卡-丘空间背景下，实际上有多种不同类型的孔——孔本身可以有不同的维（“多维孔”），但图9.1说明了基本思想。坎德拉斯等人认真考察了这些孔对弦振动模式可能产生的影响，下面是他们的发现。

空间的卡-丘部分的每一个孔都关联着一族最低能量的弦振动模式。因为我们熟悉的基本粒子都该对应于最低能量的振动模式，所以，多孔的存在（像多孔的面包圈）意味着弦振动模式应该是多族的。假如卷缩的卡-丘空间有3个孔，那我们就会看到三族基本粒子。3这样，弦理论告诉我们，实验观察到的粒子族组织，不是什么解释不了的源于随机或神奇的特征，而是构成多维空间的几何形态的孔数的反映！这类结果令物理学家心动不已。

图9.1　面包圈（环）和它的多孔伙伴。

也许，你认为卷缩的普朗克尺度的空间维的孔数——卓绝的“山顶物理学”——就是一块落到一般能量下的试金石。毕竟，实验家能够——实际上已经——确定三族粒子与那孔数相对应。遗憾的是，已知的成千上万的卡-丘空间包含的孔数各不相同，有的是3，但也有4，5，25的，甚至还有多达480的。现在的问题是，没人知道如何从弦理论方程导出哪些卡-丘形态构成了额外的空间维。假如我们能找到一个能从无数可能中挑选出某个卡-丘形态的原则，那么，石头就真的从山巅滚落到实验家的大本营来了。假如从方程中选出的特殊卡-丘形态一定有3个孔，我们便从弦理论发现了动人的“后言”，解释了本是一团迷雾的已知的自然特征。但我们现在还没有发现那样的选择原则。不管怎么说——这也是很重要的——我们看到弦理论具有回答粒子物理学基本疑难的潜力，这本身就是一大进步。

粒子的族数不过是多维几何形态的一个实验结果。通过对弦振动模式产生影响，多维的结果还包括力和物质粒子的具体性质。看一个基本例子：斯特罗明戈和惠藤后来发现，每一族粒子的质量依赖于——或者说取决于——卡-丘空间中各种多维孔洞边界是如何交叉和重叠的。这个问题有点儿复杂，很难形象表达。大概意思是说，当弦在卷缩维振动时，卡-丘空间孔洞的分布和孔洞周围的空间褶皱方式将直接影响可能的共振模式。细节很难讲，也并不都很重要；重要的是，跟粒子族的情形一样，弦理论还能提供一个框架来回答为什么电子和其他粒子的质量是那样的，等等诸如此类的问题——以前的理论对这些问题无话可说。不过，完成这些计算还是需要我们知道多余的维具有哪样的卡-丘空间形态。

上面的讨论大概说明了，弦理论如何可能在未来的某一天解释表1.1列举的物质粒子的性质。弦理论家相信，根据同样的理由，它还可能解释表1.2列举的基本力的信使粒子的性质。就是说，当弦在展开和卷缩的空间里卷曲振动着运动时，无数振动模式中的一小部分构成自旋等于1或2的集合，这些可能就是传递力的弦振动状态。不管卡-丘空间是什么形态，总会有一种质量为0、自旋为2的振动模式，我们说它就是引力子。不过，自旋为1的信使粒子——它们的数目，所传递力的强度以及它们遵从的规范对称性——则强烈依赖于卷缩维的具体几何形态，我们还不能完全列举出来。这样，我们又一次看到，弦理论提供了一个框架，能解释我们观察到的宇宙的信使粒子的性质，也就是能解释基本力的性质。但是，我们还不知道那些多余的维卷缩成了哪种卡-丘空间形式，所以还得不出确定的预言或“后言”（除了惠藤讲的关于引力子的后言而外）。

我们为什么选不出那个“正确的”卡-丘空间形态呢？多数弦理论家将它归咎于我们今天用来分析弦理论的工具还不够充分。我们在第12章会更详细地讨论，弦理论的数学工具太复杂了，物理学家只能在所谓微扰论的形式下做一些近似计算。在这近似的框架下，所有卡-丘空间似乎都是平等的，方程决定不出一个基本的形态。由于弦理论的物理结果敏感地依赖于卷缩维的准确形态，不能从大量卡-丘形态中选出一个，就不可能得到确定的能用实验检验的结果。今天研究背后的一大动力就是发展超越近似方法的理论方法，希望它能带来一些结果，特别是将我们引向一个惟一的多维的卡-丘空间形态。我们将在第13章讨论这些路线取得的进展。

于是你可能要问：即使我们还不知道弦理论选择的是哪种卡-丘形态，那么，任选一种形态能得出与我们的观测一致的物理性质吗？换句话讲，假如我们把与每一种卡-丘形态相关联的物理性质都找出来，然后汇集在一起，我们能找出与实在相符某个形态吗？这是一个很重要的问题，但主要因为两点理由，我们很难完全回答它。

我们先来看产生3族的卡-丘形态，这应该是合理的出发点。它大大削减了可能的选择，但还是有很多。实际上，我们可以让面包圈变形，从一个形态变成许多形态——其实是无穷多——而不会改变孔的数目。在图9.2中，我们将图9.1下面的三孔圈变成现在这样。同样，我们可以从一个三孔的卡-丘空间开始，光滑地改变它的形态而不改变孔数，这样又生成一个无限的形态序列。（我们以前说万种卡-丘形态，已经把能相互光滑变形的空间合并成一组，这样的一组算一种空间形态。）问题是，弦振动的具体物理性质（它们的质量、它们对力的响应）严格受空间具体形态改变的影响，而我们仍然没有办法选择最可能的形态。不论教授让多少研究生去做，也不可能列出对应于无穷多空间形态的物理学。

认识到这一点后，弦理论家便去考察从可能的卡-丘形态的某些样本能生成什么物理学。然而，即使在这种情形，他们也不是一帆风顺的。理论家们现在用的近似方法并不是从一定的卡-丘形态导出所有的物理学。从粗略的意义说，它们会大大有助于我们理解那些我们希望能与观察到的粒子相对应的弦振动；但是，为得到精确确定的物理学结果（如电子的质量、弱力的强度），我们需要比今天的近似框架精确得多的方程。想想我们在第6章讲的，弦理论的“自然”能量尺度是普朗克能量，只有经过“价格游戏”那样极端精巧的能量消减，才能得到具有已知物质和力的粒子质量的弦振动模式。精巧的能量消减靠的是精确的计算，哪怕是很小的误差，也会对精度产生巨大的影响。正如我们将在第12章讨论的，物理学家20世纪90年代中期在超越目前近似方程上已经取得了重大进展，当然，前面的路依然很长。

图9.2　多孔面包圈可以通过多种方式变形，而不会改变孔的数目。这是一个例子。

那么，我们现在的情形怎样呢？虽然没有一个基本准则指导我们选择一个卡-丘空间形态，也没有足够的理论工具从那样的选择中得出所有的可观测结果，但我们还是可以问，是不是任何一个卡-丘形态的选择都能产生一个与我们的观察一致（哪怕是大体一致）的世界？答案是令人鼓舞的。尽管多数卡-丘空间生成的结果与我们的世界迥然不同（不同数目的粒子族，不同数目和类型的基本力，以及其他许多不同的东西），但还是有几种选择的物理学在性质上确实与我们实际看到的相同。那就是，有些卡-丘空间在选择为弦理论所要求的卷缩维的形态时，产生的弦振动非常接近标准模型的粒子。而且，特别重要的是，弦理论成功地将引力编织进了量子力学的框架。

就我们现在的认识水平，这样的局面已经够好了。假如很多卡-丘形态都能与实验大体相符，特别的某个选择与我们观察的物理学之间的联系就不那么令人感兴趣了。许多选择都能满足，那么即使从实验观点看似乎也选不出一个特别的来。另一方面，假如没有一个卡-丘形态能产生我们看到的物理学性质，那么弦理论就与我们的世界无关，虽然它的理论结构是那样美妙。我们今天决定具体物理学结果的本领还低得可怜，凭这点能力，找少数几个卡-丘形态，能在粗略水平上令人接受，就是很令人鼓舞的结果了。

解释基本物质和力的粒子性质，至少应该是最伟大的科学成就之一。不过，你可能还是要问问，不论现在或是不远的将来，会不会有什么真正的弦理论的预言——不是“后言”——能让实验物理学家来证实？是的。

从弦理论导出具体的预言，眼前还有许多理论障碍，这迫使我们去寻找由弦构成的宇宙的一般而不是特殊的方面。这里的一般，说的是弦理论的那样一些基本特征，它们几乎（如果不是完全的话）不受超出我们现在理论水平的那些具体性质的影响。即使我们不懂得整个理论，还是可以满怀信心地讨论这些一般特征。在以后的篇章里我们会讲很多例子；现在我们先看一点：超对称性。

我们曾经讲过，弦理论的一大基本特征是它具有高度的对称性，它不仅包含了直观的对称性原理，还遵从这些原理的最大的数学扩张——超对称性。正如第7章讲的，这意味着弦振动模式是成对产生的——所谓的超对称伙伴对——一对伙伴的差别仅在于差半个自旋单位。如果弦理论是正确的，那么某些弦振动将对应于已知的基本粒子，由于超对称伙伴的出现，弦理论也预言每个这样的基本粒子都应该有一个超对称伙伴粒子。我们可以确定这些超伙伴粒子该携带多大的力荷，却还没有办法预言它们的质量。即便如此，超伙伴存在的预言是弦理论的一般特征之一；它是真正的弦理论的性质，与我们尚未明白的理论的其他方面无关。

然而，我们从没发现过已知粒子的超对称伙伴，这似乎说明它们并不存在而弦理论错了。不过，许多粒子物理学家认为，那说明超伙伴太重了，超出了我们今天的实验观测能力。现在，物理学家还在瑞士日内瓦做庞大的加速器，叫大型重子对撞机。这台机器很有希望发现超伙伴粒子。它在2010年以前大概就能运行了，不久超对称性就可得到实验证明。正像施瓦兹说过的，“发现超对称应该不会等得太久；那一天的到来一定是激动人心的。”63

不过，我们应该牢记两件事情。即使超伙伴找到了，仅凭这一点也不能保证弦理论是正确的。正如我们看到的，尽管超对称是在弦理论研究中发现的，但它也成功走进了点粒子理论，从而并不惟一属于弦。反过来讲，即使大型重子对撞机发现不了超伙伴粒子，这一点也不能排除弦理论，因为超伙伴的质量也可能超过了那台机器的能力。

话虽这样说，假如超伙伴真的发现了，对弦理论来讲肯定是一个强有力的令人振奋的间接证据。

弦理论的另一个实验信号与电荷有关，似乎不像超伙伴粒子那么“一般”，但也同样激动人心。标准模型的基本粒子的电荷只有有限的几种：夸克和反夸克的电荷是1/3、2/3和-1/3、-2/3；其他粒子的电荷为1，0和-1。这些粒子的组合能解释宇宙间所有已知的物质。然而，在弦理论中，可能存在一些共振模式对应着电荷大不相同的粒子。某些粒子可能具有非常奇怪的分数电荷，如1/5、1/11、1/13或1/53等。这些异乎寻常的电荷可以来自一定几何性质的卷缩维：空间的孔有那种特殊性质，绕着它们的弦需要绕过一定的圈数才可能自行解开。4细节并不重要，重要的是圈的数目在可能的弦振动模式中表现出来了，那就是分数电荷的分母。

有些卡-丘空间有这种几何性质，而另一些没有，因此分数电荷的可能出现并不像超伙伴粒子的存在那样“一般”。另一方面，超伙伴的预言不是弦理论的独特预言，而几十年的经验告诉我们，任何点粒子理论似乎都没有充分理由存在这些奇异的分数电荷。如果谁要硬把这些电荷塞进点粒子理论，他可就成了瓷器店里横冲直撞的大公牛。分数电荷从额外空间维可能具有的简单几何性质突现出来使这些奇异的电荷成了检验弦理论的自然的实验信号。

跟超伙伴的情形一样，那种带奇异分数电荷的粒子我们也从没见过，而我们对弦理论的认识也还不能确定地预言它们的质量——假如卷缩的维真有产生它们的恰当性质的话。看不到它们的原因还是那句老话：如果确实存在，它们的质量一定超出了我们目前的技术能力——事实上，它们的质量可能是普朗克质量级的。但是，假如未来某个实验遇到了这种奇异的粒子，那将成为弦理论的一大证据。

我们还可能通过别的方法找到弦理论的证据。例如，惠藤曾提出一个大胆的猜想；天文学家可能有一天会在他们收集的天文数据里发现直接的弦理论信息。我们在第6章说过，弦的典型尺度是普朗克长度，但高能的弦可以大得多。实际上，大爆炸的能量可能足以产生几根从宏观上看也足够大的弦，这些弦随着宇宙膨胀可能长到天文学的尺度。我们可以想象，一根这样的弦可能在现在或者将来的某一天扫过夜空，在天文学家们收集的数据里留下醒目而可测的印迹（如微波背景辐射的温度出现小小偏移；见第14章）。正如惠藤说的，“尽管那多少是个幻想，但却是我最欣赏的证实弦理论的图像，因为没有什么能比在望远镜里看到一根弦更激动人心的事了。”64

距离地球近一些的可能的弦理论实验信号也有人提出来了。我们看五个例子。第一，我们在表1.1中说过，我们不知道中微子到底是质量很小，还是根本没有质量。根据标准模型，它们是没有质量的，但并没有什么特别深刻的原因。弦理论面临的一个挑战就是，为现在或将来的中微子数据找一个令人信服的解释——特别是，如果实验最终证明它确实具有小小的非零质量。第二，某些标准模型禁戒的假想过程在弦理论中却是可能发生的。例如，质子可能分解（别担心，即使真有这种分解，也是十分缓慢的），不同夸克的组合可能相互转变或者衰变，这些都违背了点粒子量子场论中的某些确立已久的性质。5这些过程之所以特别有意思，是因为它们是传统理论没有的东西，从而也成为新物理的一个敏感信号：如果不求助新的原理，就解释不了它们。如果能观测到这些过程发生，那么任何一个都能为生成弦理论的解释提供肥沃的土壤。第三，某些卡-丘空间形态的选择会出现特别的弦振动模式，对应于一些新的小的长程作用的力场。假如这些新力的效应发现了，它们可能反映弦理论的某些物理特征。第四，正如我们将在下一章看到的，天文学家收集了大量证据说明我们银河系甚至整个宇宙都浸没在所谓暗物质的汪洋里，但暗物质至今还没得到确认。弦理论通过多种可能的弦振动模式，提供了许多暗物质候选者；等将来实验结果揭示出暗物质的具体性质以后，我们才能确定某个候选者。

最后，联系弦理论与实验观测的第五种可能途径牵涉到宇宙学常数——我们还记得，在第3章讨论过的，这是爱因斯坦为了保证一个静态宇宙而临时在他原始的广义相对论方程里添加的一个修正参数。后来发现宇宙在膨胀，爱因斯坦便取消了这一项，但物理学家从那时就认识到，我们不能解释为什么宇宙学常数应该是零。实际上，宇宙学常数可以解释为某种存在于真空的能量，从而应该可以根据理论计算它的值，也可以用实验来测量。但在今天，那些计算与观测却带来一大堆的矛盾：观测表明，宇宙学常数要么为零（如爱因斯坦最终认为的），要么很小。计算表明，虚空的量子力学涨落可能生成一个非零的宇宙学常数，比实验允许的大120个数量级（1后面跟120个零）！这向弦理论提出了一个挑战，也提供了一次机遇：弦理论的计算能与实验对应起来吗？能解释宇宙学常数为什么是零吗？或者，假如实验最终确定它的值很小但不是零，弦理论还能解释吗？假如弦理论家能响应挑战——现在还没有呢——将为理论带来多么激动人心的支持啊！

物理学史充满了那样的思想，它们在刚提出时似乎完全不可能证实，但经过意想不到的发展以后，最终还是走进了实验的王国。原子的思想、泡利的中微子假设，中子星和黑洞的预言，都是这样的例子——这些东西，我们现在完全相信了，当初它们却更像科幻小说的玄想，没有一点儿科学事实的影子。

弦理论出现的原因，至少跟那三个例子一样动人——事实上，我们曾经欢呼，弦理论是自量子力学发现以来最重要最激动人心的理论物理学进步。拿这两者来比较是很恰当的，因为量子力学的历史告诉我们，物理学革命有时要经历几十年才能走向成熟。与今天的弦理论相比，量子力学战线的物理学家该是很幸运的：量子力学在尚未完全建立的时候，就能直接与实验结果发生联系。即使这样，量子力学的逻辑结构也过了近30年才建立起来，而又过了20年才完全与狭义相对论结合在一起。我们现在要把它与广义相对论结合起来，是更富挑战性的使命；而且，与实验相联系更是难上加难。与量子理论的开拓者们不同的是，弦理论家没有看到一丝自然的光亮透过具体的实验结果来指引他们一步步往前走。

这就是说，弦理论的认识和发展可能在耗尽一代或几代物理学家的心血后，还得不到一点儿实验响应。世界上热烈追求弦理论的数不胜数的物理学家都知道，他们是在冒险：一生的奋斗可能只换来飘忽不定的结果。当然，理论总会进步的，但它能克服今天的障碍而得到确定的能让实验检验的预言吗？我们上面讨论的间接检验能为弦理论带来确凿的证据吗？这些问题每一个弦理论家都很关心，但谁也说不清一点儿东西。我们只有等着答案的到来。美妙而简洁的形式，强大的囊括万物的力量，无限的预言能力，简单而自然的消除引力和量子力学矛盾的方式，弦理论的所有这一切，荡起无数人的激情，甘愿为它冒巨大的风险。

这些崇高的愿望在一点点地变得更实在——弦理论不断揭示出弦宇宙的新物理学特征——那些揭示了大自然杰作中更微妙更深层联系的特征。用上面的话讲，多数这样的特征都是一般性的，不论我们今天未知的东西怎样，它们都是弦构成的宇宙的基本特征。在这些特征里，最惊人的那些已经对我们不断演进的时空认识产生了深远的影响。

注释

1.这是1997年12月28日我访问乔基时他对我说的。这次访问中，乔基还告诉我，当实验否定了他和格拉肖在大统一理论中最先提出的质子衰变的预言时（见第7章），他对超弦理论感到犹豫不决。他尖锐指出，他的大统一理论所借助的能量比以前任何理论所考虑的都高得多；而当预言被证明是错误的时候——当他“被大自然压垮”的时候——他研究高能物理学的态度忽然改变了。我问他，如果实验证明了他的大统一理论，会激发他去关心普朗克尺度吗？他回答说：“是的，我很可能会的。”

2.说到这里，应该记住第6章后面注释3提出的那个猜想，弦只是可能比原来想的长得多，从而有可能在几十年内通过加速器来接受实验的检验。

3.对数学感兴趣的读者应该看到，更准确的数学表述是，粒子族的数目是卡-丘空间欧拉数的绝对值的一半。欧拉数本身是流形的同调群维数的交错和——在这里我们粗略地把同调群当作多维的孔洞。这样，从欧拉数为±6的卡-丘空间生成3个粒子族。

4.对数学感兴趣的读者知道，我们这里说的是具有有限非平凡基本群的卡-丘空间，群的阶数在某些情况下决定了分数电荷的分母。

5.专业读者知道，这里有些过程破坏了轻子数守恒定律和电荷-宇称-时间（CPT）反演对称性。