理论物理世界的奇幻旅行

她是模特，魅力四射。

发电站乐队（Kraftwerk）

什么速度呀和新发明，以及第四维空间诸如此类

“嗨，阿西娜，你是在看电影《卡萨布兰卡》吗？”

“是的，不想和我一起看吗？这一幕可真棒！”

请你一定要牢记，

亲吻就是亲吻，

叹息就是叹息。

随着时光流逝，

爱情真谛永不变。

“等等，艾克，你不觉得最后这句有点奇怪吗？这里本来应该很浪漫的，可听起来倒像是在讲物理。”

“阿西娜，如果这你都觉得奇怪的话，那你最好还是先听听原版歌曲《任时光流逝》（As Time Goes By）的开始一段。”

我们生活的这个时代，

爱弄些缘由给人理解。

什么速度呀和新发明，

以及第四维空间诸如此类。

我们还有些许烦恼，

有关爱因斯坦先生的理论。

“艾克，你真以为我会相信吗？我猜，下一步你就会说里克和伊尔萨逃进了第七空间！好了，就当我刚才什么都没说，还是坐下来，我们安安生生地看电影吧。”

20世纪早期，爱因斯坦提出了相对论；1931年，鲁迪·瓦利（Rudy Vallee）录制了由赫尔曼·赫普菲尔德（Herman Hupfeld）所作的歌曲《任时光流逝》，就是艾克叙述的那一版。但是，等到由杜利·威尔逊（Dooley Wilson）扮演的山姆一角演奏了《卡萨布兰卡》的曲调之后，那段被省略了的歌词以及时空科学在大众文化里就被遗忘了。尽管萨尔瓦多·卡鲁扎早在1919年[8]就提出了宇宙中存在一个额外维度的观点，但是，直到最近，科学家才对这一观点给予了足够的重视。

我们已探讨了什么是维度，以及维度是怎样逃过我们的眼睛的。下一步，我们就要问：是什么重新激起了人们对额外维度的兴趣？为什么科学家要相信它们确有可能存在于真正的物质世界里？这要解释起来，话可就长了，它会涵盖20世纪一些最为重要的物理学成果。后面几章里，在开始描述可能的多重宇宙之前，我将首先回顾这些成果，并解释它们为什么是新近一些理论的先驱。我们将考察发生在20世纪早期的范式转变（量子力学、广义相对论）、当今粒子物理学的精髓（标准模型、对称性、对称破缺、等级问题）以及关于解决当前未解问题的新观点（超对称、弦理论、额外维度和膜）。

但是，在涉猎这些问题之前，本章将简要地介绍一下物质，目的是搭建一个物理平台。由于要理解我们的探索方向，得先熟悉当今物理学家所采用的推理类型，因此，我们还将探讨对于新近进展至关重要的理论研究方法。

最初，我觉得使用歌词“爱情真谛永不变”是一个明智的选择，但细想之后，我觉得这歌词也太物理了，我甚至怀疑是不是记忆在跟我开玩笑，因为这对记歌词来说是常有的事——即使你认为这首歌早已烙进了你的脑海里。可是，当我发现，这歌词实际比我想象的还要契合物理学时，就不由得我不惊讶了（而且觉得好玩）。以前我可从没想到过“时光流逝”就是第四维度！

物理见解常常也像这次发现一样：细小的线索往往会揭示一些不期然的联系。如果你足够幸运，你的发现甚至会超出你的预期，令你喜出望外，当然你得找对地方。在物理学中，一旦你发现了某种联系，即使只有一点细微的线索，你也会以你认为最好的方法去寻求其意义。那可能需要科学的推测，也可能需要为你认为可靠的理论导出数学结果。

下一节，我们将介绍现代物理学探寻这些线索所采用的方法：模型构建（这可是我的强项）以及基本高能物理的另一种方法——弦理论。弦理论学家试图从一个确定的理论得出对宇宙的预言；而模型构建者试图先找到解决特定物理问题的方法，然后由此出发创建理论。模型构建者和弦理论学家都意图寻找更为综合的理论，来解释更多的问题。他们旨在回答类似的问题，却以不同的途径接近它们。研究有时是科学的推测，如模型构建；有时是为已确信正确的最终理论推理出逻辑结果，如弦理论。很快我们会发现，额外维度的最新研究成功地结合了这两种方法。

自上而下，还是自下而上

尽管最初我喜欢数学和科学都是因为其彰显出的确定性，而今我却发现，那些未解的问题和不期然的联系，对我更有吸引力。量子力学、相对论和标准模型所包含的原理，拓展了人们的想象。但是，它们却无法撼动当今物理学家正倾力关注的一些新奇的观念。鉴于现存观念的缺陷，我们知道是新理论出场的时候了。那些缺陷预示了新的物理现象，在我们完成更精确的实验时，它们必将出现。

粒子物理学家试图找到一些自然定律来解释基本粒子的运动规则。这些粒子以及它们所遵循的物理定律，就是物理学家所称理论的基本组成部分。理论是一整套的要素和原理，包括预测各要素之间相互作用的规则和方程。在本书中，当我说“理论”时，指的就是这层含义，而不是口语里说的“粗略猜想”的意思。从理想角度讲，物理学家当然希望找到一个能解释所有现象的理论，最好还是一个规则最少、基本组成要素最少的理论。有些物理学家的终极目标就是创建一个简单、凝练、统一的理论——一个可以用来预测所有粒子物理实验结果的理论。

寻求如此高度统一的理论，可谓志向远大，甚至有人说是胆大无畏。但在某种程度上，它反映了人们自古就有的对简洁理念的追求：在古希腊，柏拉图设想出完美的形式，如几何形状和理想状态，世间万物只能大致近似；亚里士多德也相信理想形式，但他认为只有观察才能揭示世间万物近似的理想形式；宗教也常常会想象出一个更为完美或更为统一的状态，它从现实中脱离出来，却又以某种形式与现实相联：伊甸园里人类堕落的故事，就设想了一个理想的极乐世界。尽管现代物理学的问题和方法与先哲们的不同，但物理学家同样是在追求一个简洁的宇宙，只不过表现为构成世界的基本成分，而不是哲学和宗教。

自上而下

有的理论学家采取一种“自上而下”的办法：他们由理论出发，首先相信理论是正确的，比如弦理论学家由弦理论出发，然后试图导出其结果，使其与我们观察到的纷繁世界联系起来。

然而，有个明显的障碍使我们无法找到一个能与现实世界相联的完美理论：我们周围找不到这种完美理论所应体现的简洁性。问题在于世界本身就很复杂。要将一个简洁、凝练的形式与一个复杂、真实的世界联系起来需要做大量工作。一个统一的理论，一方面要简洁凝练，另一方面又必须有足够的空间来容纳相应的观察和发现。我们倒乐意相信会有这么一个视点，从中看到的所有东西都是完美、可预见的，可世界却不像我们描述它的理论那般单纯、简洁和有序。

粒子物理学家以两种不同的方法——自上而下和自下而上，来缩短理论与现实之间的距离。

有的理论学家采取“自上而下”的办法：他们由理论出发，首先相信理论是正确的，比如弦理论学家由弦理论出发，然后试图导出其结果，使其与我们观察到的纷繁世界联系起来。而模型构建者选择的则是一条“自下而上”的道路：他们先找出观测到的基本粒子与其内在相互作用之间的联系，然后由此推导出其基本理论。他们在物理现象中寻找线索，创建模型，即一些样本理论。最终，这些理论可能正确，也可能错误。两种方法各有其优势和缺陷，而最佳的前进路线并不总是显而易见的。

两种科学方法之间的冲突很有意思，因为它反映了两种不同的科学研究方式，这种分化是科学界长期争议的新近体现。你是选择柏拉图的方法，还是亚里士多德的方法？柏拉图试图从一些基本真相里获得领悟，而亚里士多德则立足于经验观察。你是准备自上而下，还是自下而上？

自下而上

模型构建者选择的则是一条“自下而上”的道路：他们先找出观测到的基本粒子与其内在相互作用之间的联系，然后由此推导出其基本理论。他们在物理现象中寻找线索，创建模型，即一些样本理论。最终，这些理论可能正确，也可能错误。两种方法各有其优势和缺陷，而最佳的前进路线并不总是显而易见的。

这种选择也可以称为“老年爱因斯坦Vs.青年爱因斯坦”。爱因斯坦年轻时立足于实验与客观现实，即使他所谓的思想实验也都来自物质场景。在发展广义相对论时，他发现了数学的价值，之后，爱因斯坦改变了方法：他发现数学成果对其理论完成是至关重要的，这使得他在以后的事业中更多地使用理论方法。然而，向爱因斯坦看齐未必会解决问题。尽管他将数学成功地应用到了广义相对论中，但他后来为了统一理论而进行的数学探索却毫无结果。

从爱因斯坦的研究道路可以看出，科学真理有很多种，发现它们的道路也有很多种：其中一个基于观察，例如类星体和脉冲星的发现；另外一个基于抽象的原理和逻辑，例如，卡尔·史瓦西（Karl Schuwarzschild）首先推导出黑洞是广义相对论的数学结果。最终，我们希望这些方式能够互相融合——如今，黑洞既能从观测数据的数学计算导出，也可以从纯理论导出，但在研究早期，我们基于两种真理所取得的进展却很少同步。对弦理论来说，它的原理和方程并不如广义相对论那般完善，因此由它推导出结果要困难得多。

弦理论一经崭露头角，粒子物理学界立即被彻底分裂。“弦革命”首次使粒子物理学界产生分化是在20世纪80年代中期，当时我还在读研究生。从那时起，就有一派物理学家决意要全身心地投入弦理论的优美数学王国中。

弦理论的根本前提是：自然界的基本物质是弦，而非粒子。我们现在观测到的周围的粒子只不过是弦的结果：它们是由振动的弦产生的不同振动方式，就像是从振动的小提琴弦上跳出的不同音符。弦理论之所以引人瞩目，是因为物理学家正在寻找一种能够有机融合量子力学和广义相对论的理论，能够作出可直达最为微观的可探测领域的预言。在许多人看来，弦理论似乎是最有希望的理论。

然而，另一派物理学家却决意要留在实验能够探索的相对低能的物理领域。当我在哈佛大学时，那里的物理学家，包括优秀的模型构建者霍华德·乔治（Harward Georgi）和谢尔登·格拉肖（Shedon Glashow），以及众多天才的博士后及研究人员，全都是模型构建的忠实拥护者。

一开始，弦理论和模型构建两种对立观点的争论很热烈，两派都坚持认为自己才是探索真理的正确道路。模型构建者认为弦理论学家是在一个梦幻的数学领地里，而弦理论学家则认为模型构建者纯属在浪费时间，无视真理。

由于在哈佛大学有许多杰出的模型构建者，而我又喜欢模型构建的挑战，因此我初涉粒子物理学时，是站在这一阵营的。弦理论是一个光彩夺目的理论，它已得出了一些深刻的数学和物理见解，其中将很可能包含能最终描述自然的正确成分。但要找到弦理论与真实世界的联系却是令人却步的艰巨任务。问题在于，弦理论所定义的能量尺度比我们能以现有仪器探索到的能量要大1亿亿倍，即使粒子碰撞的能量增大10倍，我们也不知道会发生什么。

就我们现在了解的情况，弦理论与它描述世界的预言之间，还隔着一条巨大的理论鸿沟。弦理论方程所描述的物体实在是小到令人难以置信，而其具备的能量又高至超乎想象，即便是以我们可以想到的任何技术制造出任何探测仪器，都不大可能探测到它们。不仅从数学来讲要得出弦理论的结果和预言极具挑战，而且我们甚至都还不甚明了该怎样组织弦理论的基本要素，及确定该解决哪个数学问题。在一个充满了岔路的丛林里，是很容易走失的。

在我们能实际观测的距离内，弦理论能带来很多可能的预言，其预言的粒子立足于理论中尚未明了的基本成分构造。如果排除一些推想的假设，弦理论的世界可能比我们的可见世界包含更多的粒子、更多的力以及更多的维度。我们需要知道，是什么使得额外的粒子、力以及维度与我们所见到的不同。我们还不了解会有什么物理特征倾向于某种构造而非另一种，甚至不清楚怎样找到弦理论与现实世界相符的任何表现。只有在非常幸运的情况下，我们才能萃取出所有正确的物理原理，使弦理论预言与我们的观察相匹配。

例如，弦理论中不可见的额外维度必须与我们看到的三维不同。弦理论的引力要比我们周围常见的引力更为复杂：与让苹果落下砸到牛顿脑袋的那种力不同，弦理论的引力要作用于6～7个额外维度。尽管弦理论非常新奇且炫目，但其诸如额外维度等一些令人迷惑的特征却模糊了它与可见宇宙的联系。是什么让那些额外维度与可见维度不同？为什么它们不全都一样？如果能发现自然为什么和怎么隐藏弦理论的额外维度，将是非凡的成就，无论使用什么探索方法都是值得的。

弦理论也想让自己“现实”起来，但到目前为止，所有尝试似乎都带着宇宙外科手术的意味：为了使其预言与现实世界相符，理论家不得不剔除所有不应具备的成分——去除粒子，将额外维度不动声色地隐藏起来。尽管由此得出的粒子与正确粒子相去不远，但你仍能断定它们并非完全正确。优雅的确是一个正确理论所应具备的优良特征，但只有在我们完全明了理论的所有含义时，才能判定它是否真的完美。弦理论起初是令人惊艳的，但弦理论学家最终必须面对这些根本的问题。

当我们在一片山区探险时，没有地图，就很难判断哪条路才是最终到达目的地的最近路线。在思想领域，也如同在地形复杂的山区一样，该走哪条路并不是从一开始就明晰的。即使弦理论最终能将所有已知的力和粒子有机地统一起来，我们仍不能断定，它包含的只是一个呈现了一定粒子、力和其相互作用的山峰呢，还是一个更为复杂的、有着多种含义的广阔天地？如果一路坦途，路标明确，那么探索将轻而易举。但，事情却很少这样发展。

因此我要强调，超越标准模型向前的道路是模型构建。“模型”这个词很容易让人想起小时候建造的小型战舰或城堡，或者电脑里为了重建一种已知动态的数字模拟。例如，人口是怎样增长的、海水是怎样运动的。但粒子物理学的模型构建却不同于以上任何一种含义，它与时尚界或是杂志上所用“模特”的含义有些类似：无论是T台上的模特，还是物理学中的模型，展现的都是一种富于想象力的创作，它们会以各种各样的形式呈现出来，最美的必然会赢得最多的关注。

不用多说，相似仅此而已。粒子物理学的模型是对标准模型之外的另一些基本理论的推测。如果你认为一个统一的理论是山脉的顶峰，那么模型构建者就像是一个探路者，他试图找到连接山脚与山顶的路，一条能最终将所有观点都联系起来的路，而这基础就是已确立的物理理论。尽管所有模型构建者都承认弦理论的确很出色，且有可能最终被证明是正确的，但他们仍不能像弦理论家学那般确定地知道，如果最终登顶会发现什么理论。

在第7章我们会看到，标准模型是一个明确的物理理论，有一组固定的四维世界的粒子和力。超越标准模型的模型仍包含这些基本成分，并在已探明的能量水平上重现其结果，而且它们还包含了一些只在更小的距离内才能探测到的新力、新粒子和新相互作用。物理学家提出这些模型，是为了解决眼下的难题。而模型可能会为已知或假想粒子提出一些新的不同的行为，这些行为取决于模型假设所导出的一组新的方程。模型也可能提出新的空间场景，例如我们将以额外维度和膜来探索的那些场景。

即使我们完全通晓了一个理论及其含义，这个理论还可能以其他方式表现出来，对于我们生活的真实世界，它们可能会有不同的物理结果。比如，即使我们从理论上知道粒子和力是怎样相互作用的，仍需要知道在真实世界里存在哪些特定的粒子和力，模型使我们能抽样检验这些可能。

不同的假设和物理概念可以区分不同的理论，同样，理论原理所适用的距离和能量尺度也可以区分不同的理论。模型是直达这些不同特征核心的一种方法，它们让你探索一个理论的内在含义。如果你认为理论是指导你做蛋糕的一个大致说明，那么模型则是一个精确配方。理论会告诉你加糖，而模型则会明确说明加半杯糖还是两杯糖；理论会说葡萄干可加可不加，而模型则会给你一个更明白的指示：不要加。

模型构建者关注的是标准模型里那些未解决的问题，并试图使用已知的理论来应对其不足。模型构建的方法因直觉而激发起来，弦理论明确预言所在的能量远大于我们的观察。而模型构建者想了解全面的景象，以找到与我们的世界相关的部分。

现实地说，模型构建者承认不能立即导出一切东西。我们不是要导出弦理论的结果，而是要弄清楚基本物理理论的哪些要素能解释已知的观测结果，揭示实验结果之间的联系。模型的假设可能会是最终基本理论的组成部分，也可能在我们明白其更深层的理论基础之前就阐明某些新的关系。

物理总是努力以最少的假设来预言最多的物理量，但这并不意味着我们总能立即就明确找出最为根本的理论。常常是人们先有了进步，然后才从根本上明白其来龙去脉。例如，物理学家早就知道温度与压力的关系，并将其应用于热力学与发动机的设计，但直到很久以后，人们才在一个更基本和微观的层面将其解释为大量原子和分子的无规则运动的结果。

因为模型关注物理“现象”（意即实验发现），因此与实验密切联系的模型建构者有时被称作“现象学家”。“现象学”可算不上是一个好措辞，因为它不能公正地涵盖数据分析，而数据分析在当今复杂的科学世界里与理论是密不可分的。模型构建者更多地是注重解释与数学分析，而不是像这个词在哲学里的含义所暗示的：简单的表象。

相反，最好的模型确实有其可贵之处：对于物理现象，它们能作出确定的预言，给实验者验证或反驳模型的断言提供一个途径。高能实验不仅仅是在寻找新的粒子，也是在测试模型，并寻找建立更好模型的线索。所有已创建的粒子物理学模型，都包括适用于可探测能量的新的物理原理及新的物理定律，因此，它能预见新的粒子及它们之间的可测试的关系。找到这些粒子并测量其性质，就能证实或排除一些思想。高能实验的目标就是帮助我们找到一些基本的物理定律，还有赋予它们解释能力的概念框架。

并非所有的模型最终都能被证明是正确的，但模型仍是研究可能性及构筑素材库的最好方法。如果弦理论正确，我们最终就可能得知某些模型是如何导出其结果的，就像热力学源于原子理论那样。但是，十多年来，两大阵营的对峙没有一丝结束的意思。阿尔比恩·劳伦斯（Albion Lawrence），一位来自布兰迪斯大学的年轻弦理论学家，在与我讨论这种分歧时，是这么评论的：“不幸的是，弦理论与模型构建是两个截然不同的课题，模型构建者与弦理论学家多年来互不交流。我总觉得，弦理论就像所有模型的祖父一样。”

弦理论学家与模型构建者都在探寻一条有迹可循的优雅路径，以将理论与可见世界联系起来。任何理论，只有其道路本身，乃至从山顶往下看到的风景，都显现出它的优雅时，才真正是引人入胜和可能正确的。模型构建者自下而上，很可能要承受多次起点错误的风险，而由自下而上的弦理论学家同样也有风险：他们可能会发现自己正处在一个陡峭、孤立的悬崖边，远离营地，无法找到回去的路。

你也可以说我们正在寻找一种宇宙的语言：弦理论学家关注的是语法的内在逻辑，而模型构建者则专注于他们认为最有用的名词和词组。如果说粒子物理学家是在佛罗伦萨学习意大利语，那么，模型构建者则会懂得怎样寻找食宿，并学会问路所需要的最基本的词汇，但他们说出的话可能很好笑，而且可能永远也不能完全领会“炼狱”的含义；相反，弦理论学家可能立志于掌握意大利文学的精妙之处，但他们可能不等学会怎样点餐，就将面临被饿死的危险。

好在情况现在已有了改观。最近，理论研究和低能物理现象两者都支持了对方的进展，而许多人现在也已开始同时考虑弦理论和以实验为指导的物理学了。在我的研究中，我还是继续沿袭模型构建的道路，但是，也会纳入弦理论的观点。我认为，最终很有可能会通过结合两种途径的最佳方法而取得进展。

阿尔比恩说：“两者之间的界限不再那么鲜明了，这很大程度上得益于额外维度的研究，人们开始互相交流。”两派不再是那么泾渭分明，也有了更多共同的立场。目标和观念重新开始融合，无论是在学术上还是社交上，模型构建者和弦理论学家都有了强烈的重合。

我将描述的额外维度理论最美的一面就是，两个阵营的观点开始融合起来。弦理论的额外维度也许有些痴人说梦，但兴许它们最终是一个机会，可以帮助我们找到解决老问题的新方法。我们当然可以问：额外维度在哪儿？为什么我们没见到它们？但我们也可以这样问：这些看不见的维度对我们的世界是否有重要意义？它们可能会帮助我们揭示一些与观测现象相关的内在联系。模型构建者喜欢尝试把一些概念联系起来，比如额外维度与可见的三个维度、粒子质量之间的关系。而且，如果幸运的话，基于额外维度模型的见解有可能会成功解决弦理论面临的一大难题：它的不可实验性。模型构建者已使用了由弦理论得出的理论要素来解决粒子物理学中的问题，而那些模型，包括那些有额外维度的模型，将会产生可以检验的结果。

我们后面研究额外维度模型时会看到，模型构建的方法正与弦理论并肩探索着粒子物理学、宇宙演变、引力和弦理论，并产生了重要的新见解。有了弦理论的“语法知识”和模型构建者的“词汇”，两者就可以开始携手编撰一本合乎逻辑的“短语手册”了。

进入物质内核

我们最终将探讨的观点会包含整个宇宙，但这些观点的根源在于粒子物理学和弦理论——志在描述物质的最小组分的理论。因此，在开始我们的旅程，进入这些理论性极强的领域之前，让我们先来看看物质，深入其最微小的部分进行一番简单的游历。在探索原子的旅途中，我会做你的向导，请记住物质的基本建构成分以及不同物理理论所讨论的物质的大小，它们可以作为地标，然后，你可以根据它们识别方向，并分辨每个物理领域所关注的基本成分。

物理学中，大多数理论的基本前提是：物质是由一些基本粒子构成的。层层剥离、逐步深入之后，最终你总能发现基本粒子。这是粒子物理学家研究的宇宙，在这里，粒子是最小的元素。弦理论将这一假设再推进一步，设想那些最小的微粒是一些基本的振动弦。但即使是弦理论学家，他们也相信物质是由一些微粒——其核心不可再分的实体构成的。

相信所有东西都是由粒子组成的，这或许有些困难。确实，对我们的肉眼来说，这很不明显。这是由于我们的感官能力太过粗糙，无论何时何地，都不能直接探知如原子一般微小的东西。但是，即使我们不能直接看到它们，基本粒子仍是物质的基本组成部分。就如在你的电脑或电视屏幕上呈现的虽然是连续的图像，但这些图像实际上是由一些小点组成的。物质是由原子构成的，而原子又是由更小的基本粒子构成的。我们周围的物质看上去连续完整，但其实质并非如此。

物理学家要探查物质内部，并推导出其基本成分，首先需要技术上的进步，创造出灵敏的测量仪器。但是，每当他们开发出更为精确的技术工具，就会出现一些更细微的结构、更为基本的成分。而每次物理学家得到能够探索更小尺度的工具时，都会发现还有更基本的组成成分——亚结构，构成前面已知结构元素的成分。

粒子物理学家的目标就是发现物质的最基本成分以及这些基本成分所遵循的基本物理定律。我们研究小尺度，是因为基本粒子就在这些尺度上相互作用，而且很容易解析出基本的力。在大尺度上，基本成分被联结成化合物，很难解析出基本物理定律，因此也就比较模糊。小尺度的奇妙之处就在于新的原理和新的联系只在这里适用。

物质不仅仅只是一个俄罗斯套娃，里面一个套一个都是一样的复制品，而更小的距离会揭示出真正新奇的现象。直到17世纪，在威廉·哈维等科学家将人体解剖开、看到人体内部之前，即便是人体的运行，例如心脏和血液循环，都是被错误理解的。而最近的实验对物质也做了同样的事：探索更小的距离，新的世界在那里通过更基本的物理定律运行着。正如血液循环对所有的人体活动都很重要一样，基本物理定律在大尺度上对我们同样有着重要的影响。

现在我们知道所有物质都是由原子构成的，它们通过化学过程联合在一起形成分子。

原子非常小，大约是一埃，即一亿分之一厘米。但原子不是最基本的：它还包括一个位于中心的、带正电的原子核，原子核周围环绕着带负电的电子（见图4-1）。原子核比原子要小得多，只占原子大小的十万分之一。而带正电的原子核本身也是一个复合物：它由带正电的质子和中性（不带电）的中子组成，两者合称为核子，它比原子核小不了多少。

这是20世纪60年代以前科学家们所持有的有关物质的图景，也很有可能是你在学校里学到的蓝本。

图4-1　原子构成图。原子包括一个微小的原子核和围绕原子核旋转的电子，而原子核又包括带正电的质子和不带电的中子。

尽管以后我们会看到，量子力学给出了一幅比你能画出的任何图形都更为有趣的、有关电子运行轨道的图画，可原子的这一模板还是正确的。但是现在我们知道，质子和中子也不是最基本的粒子。与我在引言里提到的伽莫夫的话相反，质子和中子还包含亚结构，一种更为基本的组成成分，叫作夸克。质子包含两个上夸克和一个下夸克，而中子包含两个下夸克和一个上夸克（见图4-2），这些夸克通过一种叫作强力的原子核力束缚在一起。而原子的另一组成成分电子——却不同，就我们现在所知，它是基本的粒子：电子不能被分成更小的微粒，里面不再含有亚结构。

图4-2　原子核构成图。质子和中子是由更为基本的夸克通过强力束缚在一起形成的。

物理学家、诺贝尔奖获得者斯蒂芬·温伯格（Stephen Weinberg）发明了“标准模型”一词，用它来称呼已确立的粒子物理学理论，它描述了物质的基本组成成分——电子、上夸克、下夸克之间的相互作用以及我们很快就将谈到的其他基本粒子。标准模型还描述了基本粒子4种相互作用力中的3种——电磁力、弱力和强力（引力通常被省略）。

虽然几百年前我们就知道了引力和电磁力，但直到20世纪后半叶，还无人知道后面这两种不太熟悉的力：弱力和强力作用于基本粒子，在核反应过程中至关重要。例如，它们将夸克束缚在一起，使原子核衰变。

如果愿意，我们还可以把引力也包括在标准模型里，但我们通常并不这样做，因为在与粒子物理相关的距离尺度上，引力实在是太微弱了，远不足以在实验所能达到的能量水平上产生任何影响。我们关于引力的通常概念，在极度高能和极小尺度上失去了作用。这对弦理论很重要，但并不出现在可测量的距离尺度上。研究基本粒子时，引力只在标准模型的某些延伸里才有意义，例如，在我们后面将探讨的额外维度模型里。而在所有其他有关基本粒子的预言里，我们都可以忽略引力。

既然已进入到基本粒子世界，那我们就四处看看，参观一下邻居们的领地。上夸克、下夸克和电子位于物质核心，可是，现在我们知道，还有另外一种更重的夸克以及其他一些更重的像电子一样的微粒，它们在通常的物质里是找不到的。

例如，电子的质量只是质子质量的0.5‰，而有一种叫作μ子的粒子，与电子有精确相等的电荷，其质量却比电子质量大200倍；另一种叫作t子的粒子，也有等量的电荷，其质量还要再大出10倍。而且，在过去的近40年里，高能对撞机实验还发现了更重的粒子。为了产生它们，物理学家需要大量高度集中的能量，当今高能粒子对撞机实现了这种需要。

我知道这节是我们进入物质内核的游览，但我刚才所说的这些粒子并不处于物质世界的稳定物体中。尽管所有已知物质都由基本粒子构成，但更重的基本粒子并不是物质的组成部分：在你的鞋带里、桌面上、火星上或是你已知的任何其他现实物体上，你都找不到它们；它们是由当今高能对撞实验产生的，是紧随宇宙大爆炸之后早期宇宙的组成部分。

但不管怎样，这些重粒子是标准模型的基本成分。与我们熟悉的粒子一样，它们也通过相同的力互相作用，而且很可能会帮助我们更深入地了解物质的最基本物理定律。如图4-3和图4-4所示，我列出了标准模型的粒子，中微子和传递力的规范玻色子也包括在内，在第7章详细讨论标准模型的元素时再细细讲述。

图4-3　标准模型里物质的粒子以及它们的质量。同一列里的粒子电荷相等，质量却不同。

图4-4　标准模型里传递力的规范玻色子、它们的质量以及所传递的力。

没人知道为何存在标准模型的重粒子，有关它们的目的、它们在终极基本理论中发挥的作用，以及为何它们的质量与我们更为熟悉的物质组成成分的质量相差如此之大，诸如此类的问题是标准模型面临的主要未解之谜。而这还只是标准模型未能解决的众多谜题中的几个而已，例如，为什么只有4种力，而没有其他力？是否还有其他力我们未能探测到？为什么引力相比其他已知力如此微弱？

标准模型还留下了一个更为理论性的问题，这也是弦理论希望能够解答的：我们怎样将量子力学和引力在所有距离尺度上协调起来？这一问题不同于其他，它与当今可见现象无关，而是一个关乎粒子物理学内在局限的问题。

两种类型的未解问题——有关可见现象和纯理论现象的，给了我们足够的理由去超越标准模型。尽管标准模型强大而成功，可我们仍然相信，必定还有更为基本的结构等待我们去发现，而对更为基本原理的求索也必将有所回报。就如作曲家史蒂夫·里奇（Steve Reich）在《纽约时报》上的精辟言论一样（他为自己的一个作品打的一个比方）：

先只有原子，然后有质子和中子，然后又有夸克，而现在我们开始谈论弦理论。似乎每隔20、30、40、50年，就会有一扇新的大门打开，向我们展现又一层次的世界。

当前和将来的粒子对撞机实验不再寻找标准模型的成分，因为它们都已被发现了。标准模型根据它们的相互作用，已很好地组织了这些粒子，它们的全家福已经很清楚了，而实验家们要找的是更为有趣的粒子。现在的理论模型包括了标准模型的成分，但为了解决标准模型的未解问题又加进了一些新的元素。我们希望，现在和将来的实验能够提供线索，让我们识别它们，发现物质的真正本质。

尽管我们已经在实验和理论上了解了更根本的理论应具有的特征，但在高能实验（探索更小距离）提供答案之前，我们仍不太可能知道哪个才是对自然的正确描述。正如我们在后面看到的，理论线索表明，未来10年的实验几乎肯定会发现新的东西。它可能不是弦理论的确切证据，因为这很难找到，但我们会看到它们将是一些奇异的事物，如新的时空关系或新的却仍未发现的额外维度，它们会是在弦理论以及其他的粒子物理理论里发挥重要作用的新现象。即便我们有着丰富的想象力，这些实验仍有可能揭示我们从未想过的事物。它们究竟会是什么？我和我的同事们都在好奇地等待着。

宇宙的想象力远比我们丰富

我们已知道刚才所介绍的物质结构是20世纪物理学研究重要进展的结果，这些伟大的进展对于我们将提出的有关世界的更为普适的理论至关重要，而它们本身就是伟大的成就。

从下一章开始，我们将回顾这些进展。理论在观察和克服前人理论的缺陷基础上发展起来，通过了解那些非凡的早期成果，你可以更好地认识新近成果的作用。图4-5指出了我们所探讨的理论的内部联系。我们会看到每种理论是怎样通过总结旧理论的经验建立起来的，而新理论又是怎样填补了只有在完善了旧理论之后才能发现的空白的。

图4-5　我们将探讨的物理领域及其联系。

我们首先介绍的是20世纪早期两个革命性的观念：相对论和量子力学，通过它们，我们知道了宇宙的形状、它所包含的物质以及原子的构成和结构。然后，我们介绍了粒子物理学的标准模型，它发展于20世纪六七十年代，预言了我们刚才所看到的基本粒子的相互作用。我们还将探讨粒子物理学中一些最为重要的原理和概念：对称、对称破缺以及物理量对尺度的依赖，通过它们我们了解到物质的最基本成分如何生成了我们看到的结构。

标准模型虽然很成功，却留下了一些没有解决的基本问题。这些问题是如此根本，解决它们会让我们对于这个世界的建构基础产生新的认识。在第10章，我们将展现标准模型里最为有趣也最为神秘的一面：基本粒子质量的来源。我们会看到，如果要解释已知粒子的质量以及引力的微弱问题，我们几乎肯定需要一个比标准模型更为深刻的物理理论。

额外维度模型探讨粒子物理学的这些问题，却还是利用了弦理论的观点。在讨论过粒子物理学基础之后，我们将介绍弦理论的根本动机和概念。我们不会由弦理论直接得出模型，但弦理论包含了一些我们在创建额外维度模型时所使用的元素。

这个回顾涉及许多立场，因为额外维度研究将粒子物理学的两条主线——模型构建和弦理论的许多理论成果结合在了一起。在一定程度上了解这些领域里最为有趣的新成果，会有助于你更好地理解构建额外维度模型的根本动机和方法。

但是，如果你想跳过这些知识，那么在成果回顾的每一章结尾，我都会列出一些重要概念，以便以后在我们回到额外维度模型构建时参考。这些“探索大揭秘”列出了本章的概要、总结，以便在你想跳过某一章，或者想专注于某个资料时，可以用于以后查阅。我也偶尔会提到不在“探索大揭秘”里的内容，但这些“探索大揭秘”回顾的是一些关键概念，对本书后半部分的主要结果至关重要。

从第17章开始，我们将探索充满了额外维度的膜宇宙。这些理论提出，组成我们宇宙的物质被限制在一个膜上。膜宇宙观点提供了关于广义相对论、粒子物理学和弦理论的新见解。我将呈现的这些不同的膜宇宙会作出不同的假设，解释不同的现象。同样，在每章结尾的“探索大揭秘”里，我会总结每个模型的特征。我们还不知道哪种观点（如果有的话）会正确地描述自然。但我们完全可以相信，我们最终会发现膜是整个宇宙的一部分，而我们连同其他平行宇宙都被限制在了膜上。

我在这项研究中学到了一样东西：宇宙的想象力远比人类要丰富。有时，它们的秉性是如此出人意料，我们只是碰巧才能发现它们。能遇到这样的惊喜真是太神奇了，我们的已知物理定律也因此会产生令人吃惊的结果。

现在，我们就开始探索那是些什么定律。