第九章
第九章
就在我继续寻找可供研究的问题时，我想起费曼所说的关于优势的话。我的长处是什么？我一直比大多数同学更喜欢数学。而且我还是个叛逆的人——天生就会被违反常理的事物吸引。同层大多数教员都和费曼一样，研究的是如何找到解决量子色动力学问题的更好方法。这主要涉及普通数学，而且被认为是当下最重要的问题之一。
但是其中有这样一位教授，约翰·施瓦茨（John Sch-warz），他的研究涉及相当奇特的数学方法，完全徘徊于主流之外。
自然界存在四种已知的力——电磁力、引力、强核力及其亚核伙伴，弱核力。物理学家发明了一种描述这些力之间相互作用的理论——量子电弱理论（Quantum Electroweak Theory），它是量子电动力学的概括和总结，不仅描述了电磁力，还包括弱核力；广义相对论（不属于量子理论）描述了引力；而量子色动力学描述了强核力。认为基本物理定律可以解释一切自然现象的观点被称为还原论（Reductionism）。物理学圈子中相信还原论的大有人在，甚至跨越了“学派界限”，从像默里这样的希腊派到费曼这样的巴比伦派都有。这说明大多数物理学家认为，宇宙中的万事万物（不论是婴儿的出世还是星系的诞生）都是这四种基本力中一种或几种作用的结果。鉴于大多数物理学家都秉持这种观点，建立起描述这四种力的单一理论便是理论物理学家所能从事的最重要的工作。如果施瓦茨所研究的单一理论被证实是正确无误的，那么它就会被纳入（并且改变）所有这些理论。他的新理论将会一举改写它们，用一个非常全面的理论取代它们。
考虑到这四种力相互迥异，用单一理论来描述它们似乎可望而不可即。例如，电磁力既可以相互吸引也可以相互排斥，而引力总是相互吸引的。当距离缩短时，强核力会变弱，而引力和电磁力则会增强。这些力的强度范围也大到令人难以想象：强核力的强度大约是电磁力的100倍，而电磁力的强度又是弱核力的1000倍，弱核力又比引力强几十亿的几十亿的几十亿倍。这四种力在我们的生活中承担不同的角色，在宇宙中也发挥着不同的作用。顾名思义，引力是将我们吸引在地球上的力，也是潮汐涨落的原因。然而，它最重要的影响主要表现在宇宙范围内。在引力的作用下，行星才会形成，并且绕着恒星运动，位于恒星中心的核反应堆才会产生光和热，从而出现生命。在行星诞生之前，恒星一直都是依靠引力的挤压作用才完成自身的合并。电磁力的重要性主要体现在原子的范畴。例如，原子和分子间的电磁力使物体变得可见，使氧气与红细胞结合，并且在你的手靠在墙上时，防止它穿墙而过。这种力赋予了材料自身的大部分特性。正是人们在20世纪利用了这种力，才有了现代社会的大部分便利设施：从电灯、电话、收音机，到电视和电脑。另外两种力——强核力和弱核力，控制着比电磁学原子尺度更小的世界：原子核的内部。弱核力掌管原子核的放射性衰变，即β衰变。强核力是原子能的来源。曾经，正是这股从原子核（相当于不到三分之一盎司的铀）中释放出的力量，摧毁了日本的广岛。
那么，怎么能够用单一的理论来描述这四种力呢？历史为我们提供了一条宝贵经验：其实世界上曾经存在有五种力，但是我们只提到四种，这就是因为很久以前发生过一次力的统一。那是电力和磁力理论的统一，有点像当前研究的“前传”。故事是这样的：很久很久以前（公元前6世纪），在遥远的国度（古希腊），有一位智慧的哲学家泰勒斯，研究着最简单的电磁现象——磁力和静电。从那时起直到19世纪，人类对电与磁的了解越来越深入，但是仍然没有发现它们其实并非两种不同的现象。电力、磁力连同引力一起，构成了三种已知的自然力。接着在1820年左右，几位来自欧洲的科学家发现，带电导线具有神秘的磁性。这强烈地暗示出电与磁之间的相关性，只不过没有人特别清楚其中的原因。在接下来的几十年里，人们只能用各种经验法则来描述自己观察到的效应。1865年，苏格兰一位身高只有1.62米的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），利用这些大杂烩般的法则推导出了一组了不起的方程式。短短几行就向全世界展示了电力和磁力如何从电荷和电流中产生，以及最重要的，如何从它们的相互作用中产生。因此，麦克斯韦将三种古老之力中的两种（电和磁）统一了起来，创造了我们现在所说的电磁学理论。
历史也表明，麦克斯韦统一电磁学不仅体现了理论之美，而且对其实质的研究还显示出划时代的新效应。例如，他的方程表明，加速的电荷可以产生电磁波。这些波总是以相同的速度（他所计算出的光速）运动。这为爱因斯坦的狭义相对论提供了灵感。在麦克斯韦发现光是一种电磁现象后，其他种类电磁波存在的可能性就变得格外明显。这也为德国实验学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）发现无线电波铺平了道路，进而由此诞生出广播、电视、雷达、卫星通信、X光机和微波炉等技术。在《费曼物理学讲义》中他写道：“……毫无疑问，19世纪最重大的事件就是麦克斯韦发现了电动力学定律。”
物理学家将解释自然界中所有力的单一理论称为“统一场论”（Unified Field Theory）。这值得我们花点时间来解释一下。要成为统一的理论，就不能停留在对单个力的说明上，而要描述力与力之间的关系，就像麦克斯韦展示电流如何产生磁场（反之亦然）时所做的那样。
大多数寻找统一场论的物理学家甚至要求得更多：他们试图证明所有的自然力都是由一个更基本的力或者基本原理产生的。尽管几乎没有实验证据表明这就是自然的真相（或者并非如此），但是他们无论如何都要寻找这样一种理论，可能是出于对美感的执着，或者出于某种信念，认为在某个地方一定存在解开一切自然法则的唯一钥匙。如果真的找到这样的统一理论，那么这将是希腊式物理学的最终胜利。爱因斯坦正是耗费了大部分生命去寻找这样的理论，在完成相对论以后，他的研究逐渐偏离了物理学家的主流方向——他们关注的大都是较为实际的问题。
统一场论不仅具有数学上的美感，为人们发现新的物理现象带来了可能性，而且还有希望解答我们为何存在等相关的基本问题。正是自然界中这四种力的平衡作用、它们的相对强度和不同性质，才使得宇宙成为我们所熟知的这般景象。如果引力没有比强核力弱那么多，恒星就会进一步压缩，它们的核心燃料就会更快烧尽，从而有碍生命的进化。另一方面，如果引力要是弱得多，那么电磁斥力就会阻止物质凝聚成恒星。如果强核力没有比电磁力强得多的话，那么大多数原子核就会解体。如果物质中电子和质子的数量哪怕出现百分之一的不平衡，那么你与一米开外的人之间的电磁力就会比地球的重量还大。自然界的力虽然各不相同，但是全都处于良好的平衡状态。为什么？虽然独立的理论可以描述单个的力，但是只有包含全部力的理论才能关于存在的基本问题。
爱因斯坦开始寻找统一场论的解决之道时面临着极大的劣势：当时人们还没有发现强核力和弱核力。但是到了1981年，出现了一个将电磁力和弱核力统一起来的单一理论，而且物理学家对将强核力纳入其中已经产生了想法。统一理论的进展势头喜人。爱因斯坦去世三十年后，他的研究重新获得了人气。“万有理论”（Theory Of Everything）这一名词也被物理学家们所接受。大家达成了一致的看法，认为成功路上的最大障碍就是引力。不仅物理学家不知道如何将引力纳入统一理论，而且即使把引力看作独立的力，量子引力理论也仍然不存在。除非你相信约翰·施瓦茨，他声称自己可以用单一的量子理论将所有的力统一起来，甚至包括引力。
施瓦茨所痴迷的理论被称为弦理论。弦理论中的“弦”并非我们认知中那种细细的纤维线，可以用来缠在手指上来提醒自己在回家路上买牛奶。物理学家口中的“弦”是由日本物理学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）和美国物理学家莱昂纳德·萨斯金（Leonard Susskind）在1970年首次提出来的。他们认为，看起来是点粒子的东西可能其实是一种微小的、波状的弦。这一奇怪的想法有什么作用呢？最初，它似乎被用来解决实验学家提出的旧问题，他们总是不断发现新的粒子。甚至就连夸克的数量，也在默里首次提出它之后的几年里不得不大量增加，默里能够用远远少于这个数量的夸克来解释大量粒子存在的问题。因此，弦理论早期的魅力与20世纪50年代默里提出夸克之前所产生的一个想法密切相关——所有这些粒子可能只是同一事物的替代形式。
在弦理论中，有且只有一个包含所有力的理论，而且有且只有一个基本粒子——弦。它的特性取决于它所处的振动状态，就好像振动的方式决定小提琴弦发出的声音一样，但是对于弦理论来说，不同的振动状态表现为不同的粒子，而不是不同的声音。因此，弦这一实体可以解释自然界中各种各样的粒子，而且还能进一步解释它们所做出反应的力。
从弦理论的数学形式来看，它非常有望成为所有力，甚至包括引力的统一场理论。对于有的人（例如施瓦茨）来说，这似乎是一个奇迹。但这些只是理论的一般性质，并不是你在实验室里可以验证的预期结果，因此，最关键的问题仍然存在：弦理论到底对不对？
或许你以为这很容易验证。近距离观察一个粒子，看看里面是不是有根小弦在四处晃动不就行了吗？可是，基本粒子实在太小，我们没有足够的精度来辨认它们如此精细的结构。这就好比，从很远的地方看你鼻子上那颗小提琴形的痣，它看起来可能就像你妈妈常说的那种小美人痣。不过，虽然我们不能直接验证粒子是否由弦构成，但这并不意味着围绕这一假设建立的理论就没有结果。假设你远远站在一旁观察我的生活，例如，作为同事而不是朋友，与我进行有限的互动。你可能会觉得，他言语睿智，资历优秀，在加州理工有一份称心的工作——他看起来成功而且自信。然而，更深层面上的我又是什么样的呢？鉴于我们之间的关系，你可能无法直接进行验证。于是，你可能会从理论上进行分析。在家的时候，我是阅读简·奥斯汀（Jane Austen）的小说、安静地打理花园、拉小提琴，还是狂饮马爹利酒，并尽力预防清洁工邻居朝自己的脑袋开枪？当然，在一定情况下，两种理论中列纳德的行为会发生分歧，此时通过观察我，你可以推断哪一个更接近事实。弦理论也是如此。即便我们对自然不太熟悉，无法直接验证粒子是否由弦构成，关键在于，我们能否制造出一种情况，在这种情况下，由弦理论和非弦理论预测的可观察结果会产生矛盾？弦理论支持者最大的希望就是能够提出这样一个实验。遗憾的是，没人知道该如何做。这个理论的数学形式太过复杂。
由于弦理论支持者不知道如何做出可以被验证的预测，他们为自己的理论建立了另一个目标，至少是个短期目标。它被称为“后测”（Postdiction）。也就是说，弦理论不对某些新的现象做出预测，而是解释一些已知但尚未被理解的事物。举个例子，我们知道许多基本物理量的值，比如夸克的质量或者电子的电荷量，但是不清楚它们为什么具有这些数值。弦理论就有可能改变这一点：通过它，我们便有望从头推导出这些数字。不过，同样也没人知道这该如何做。
在20世纪70年代，弦理论的承诺几乎都没有兑现。接着，人们还发现了一些矛盾之处。所有人，包括约翰·施瓦茨在内，都认为需要另一个数学奇迹才能消除这些矛盾。施瓦茨和几位合作者十分坚信弦理论的正确性，于是他们便开始寻找奇迹。其实，他们所发现的数学结构（例如，将引力纳入这一理论）就已经是一个数学的奇迹了，他们准备在这个理论的引领下走向下一个奇迹。但是，其他人都放弃了这个理论。
在弦理论中，施瓦茨尚未解决的一个问题与维度有关：弦理论在三个空间维度上并没有达到数学的一致性。弦理论中的弦有长度、宽度和高度，但是它们还需要扩展至额外六个维度，而这些维度在现实世界中似乎并不存在。虽然不至于像我一样用到无穷多个维度，但是这些额外的维度不是用数学近似方法得到的，根据弦理论，额外的维度必须真实存在。弦理论支持者通过对理论进行数学上的修正“解决”这个问题，使得这六个额外维度的范围就像弦一样非常微小，理所当然会被人们忽视，事实上，几乎不可能被发现。
就好像我们生活在一个二维的世界里，比如说活动的范围受限于地球表面，突然有个物理学家说，嘿，你瞧，还存在其他的维度，上和下，我们以前从没注意到过。可能有人会问，像新的方向这样显而易见的事物，我们怎么可能会注意不到呢？如果所谓的“上下”真的存在，我应该就能够跳起来，或者向上抛出一个球。物理学家解释说，你是可以跳，但是活动的范围非常有限，所以你只能跳起不到一毫米的高度。由于跳起的高度太低，你根本不会发觉自己离开了地面。
对于少数人来说，弦理论对于额外维度存在的需求代表一种伟大的发现——就像普朗克发现了量子原理，或者爱因斯坦发现了时空的相互交织。在他们看来，弦理论发起了一项激动人心的挑战：找到一个可以测量额外维度的间接性结果（尽管如此，仍然需要设法消除理论中存在的其他矛盾之处）。但是，即使在加州理工学院，大多数物理学家对待施瓦茨的态度，就好像他提议大家搬到内华达州加入研究51区外星人的秘密小组似的。
康斯坦丁就是其中之一。我看见他坐在书桌旁。他有一个封闭的办公室——没有窗户。头顶上的荧光灯嗡嗡作响。如果让我整天听着这样的嗡嗡声，我会抑郁。见不到自然光，我也会抑郁。当时，好多事情都能让我抑郁，除了工作的时候。但是，似乎没有什么能让康斯坦丁感到抑郁。虽然他看起来十分疲倦。
“我四点才睡。唉——生活好难啊，”他说。他用双手和脸比画了一下，在我看来他其实觉得生活一点都不难。他和他的美国女友——魅力十足的金发女星梅格，总是外出玩乐。
我嫉妒他和梅格。康斯坦丁非常英俊，有点像地中海人种——身材瘦削，但是体形完美，还拥有迷人的双眼和灿烂的微笑。他总是把自己晒成古铜色，虽然他才二十多岁，但是灰白的发色让他显得足够老成。他抽烟时的神态，会让你想起那些性感诱人的广告。有时，我会偷偷幻想自己与他二十年后相遇的情景，他满头白发，满脸皱纹，甚至有点驼背。然而想象中的我依旧风华正茂，只不过多了一分无形的成熟，大大提升了我的个人魅力
我告诉康斯坦丁，我打算找约翰·施瓦茨聊聊。
“为什么啊？”他问道。
我说：“我觉得他是一个不错的导师。”
康斯坦丁笑了起来。“导师？他连自己都指导不了。”
“他似乎很愿意收学生。”
“得了吧。那家伙在这儿已经待了九年，还是没有拿到任期。他甚至连个教授都不是。他和咱们一样，就是个研究员。”他做了一个希腊式（或者意大利式）的手势，就好像在招呼餐厅的杂工，示意自己已经吃完，让他来拿走盘子一样。
“嗯，既然他在这儿待了九年，那么肯定多少有人支持他，有一些影响力。”我说。
康斯坦丁开始施展自己的魅力——抽烟。他将烟雾吐向天花板，然后微笑地看着我：“他就是执迷不悟。他授课，还招了很多学生。他承担了这些工作，于是让费曼那样的家伙得了便宜。”
“嗯，既然他的工作负担这么重，那么如果有人帮他分担，他或许会很感激。”我说。
“他肯定很乐意告诉你他所有的研究。毕竟，没人会真正关心。”
“谢谢你了，康斯坦丁。”我走出了他的办公室。
“干吗？我说错什么话了吗？”在我准备离开的时候，他问道。
施瓦茨的办公室就在拐角处。房间的门敞开着。他看上去四十岁左右，外表非常整洁。他正坐在书桌旁阅读一本预印件，物理学家称之为研究论文的手稿。由于期刊发表一篇论文需要很长的时间，所以当前大多数的研究都是以预印的形式（如今可以从网上下载）来进行传播和阅读。他抬起头看着我。
“有事吗？”
我做了一番自我介绍。他笑着说：“哦，我听说你是新来的。”
“我希望能认识大家，了解他们的研究工作。”
“我研究的是弦理论。”他说道，就好像这是个家喻户晓的名词。
“不好意思，可否请您解释一下这个理论呢。”
“我真的没时间。”他说。
“那就下一次再说吧……”我说，“您什么时候方便呢？”
他起身走到书架前，取下了半打预印和重印的论文。
“给你，”他说，“读这些就行了。”
他把材料递给我，然后继续回去工作，仿佛我不存在一般。他已经把愿意说的话都讲完了，就连囤积起来的眼神交流也被悉数用光。
我回到办公室聊以自慰。康斯坦丁顺道经过，故意兴高采烈地问我是不是成了施瓦茨新收的“弟子”。我冲他比了个中指，虽然希腊人和意大利人都不用这个手势，但是他明白其中的意思。
然而，当时的我们都不曾想到，几年之后，那一沓放在我桌上的论文会成为本世纪理论物理学最具希望的突破之一，并且受到全世界的敬重。