前面我們介紹了弦理論，弦論的一個(gè)基本觀點(diǎn)是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點(diǎn)狀粒子。而是很小很小的線狀的“弦”，弦是一維的，弦的不同振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子，能量與物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化。在弦理論中，弦的能量有兩個(gè)來源：振動(dòng)和纏繞。這兩者對(duì)弦的能量貢獻(xiàn)是不同的，但是在一個(gè)弦內(nèi)，它們是互為反比的。也就是一個(gè)高纏繞的弦比如有低振動(dòng)，一個(gè)高振動(dòng)的弦比如有低纏繞。所以他們的總能量是一樣。

弦理論解決了百年科學(xué)家的一個(gè)重大的矛盾，也就是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的矛盾。但是它也徹底動(dòng)搖了物理學(xué)的基礎(chǔ)，甚至是宇宙的維度。

愛因斯坦認(rèn)為宇宙是由時(shí)間和空間的思維構(gòu)成的。為了確定宇宙中的一件事情，我們應(yīng)該確定它是什么時(shí)間，在什么三維空間的地方發(fā)生的。這是宇宙基本特性。然而1919年，一位波蘭的數(shù)學(xué)家卡魯扎向愛因斯坦寫了一封信，向這一基礎(chǔ)理論提出了挑戰(zhàn)，認(rèn)為宇宙可能不是四維的。超過四維的空間完全超出了我們的想象。

想象一根幾百英尺長(zhǎng)的水管橫過一道峽谷，從幾百米外看，你很容易看到水管是一根長(zhǎng)長(zhǎng)的展開的線，如果沒有特別好的視力，你很難判斷它有多粗。從遠(yuǎn)處看，如果一只螞蟻在水管上，你想它只能在一個(gè)方向，即順著水管方向爬行。誰(shuí)問你某一時(shí)刻螞蟻的位置，你只需要告訴他一個(gè)數(shù)：螞蟻離水管左端（或右端）的距離。這個(gè)例子的要點(diǎn)是，從幾百米以外看，長(zhǎng)長(zhǎng)的一根水管就像是一維的東西。

實(shí)際上我們知道水管是有粗細(xì)的。從幾百米以外你可能不容易看清，但拿一只雙筒望遠(yuǎn)鏡，你可以看得很真切。在望遠(yuǎn)鏡的鏡頭里，你還看到有只螞蟻爬在管子上，能朝兩個(gè)方向爬行。它可以順著管子，它還可以繞著管子，沿順時(shí)針或反時(shí)針方向爬行?，F(xiàn)在你明白，為確定某一時(shí)刻小螞蟻在哪兒，你必須告訴兩個(gè)數(shù)：它在管子的什么長(zhǎng)度以及它在管圈的什么地方。這說明水管的表面是二維的。

從遠(yuǎn)處看，花園的澆水管就像是一維的。走近來看，水管卻是二維的。不過，那兩維卻有很明顯的不同。沿著管子伸展方向的一維很長(zhǎng)，容易看到，繞著管子的那一圈很短，“卷縮起來了”，不容易發(fā)現(xiàn)。為看清圓圈的那一維，你得用更高的精度來看這根管子。

這個(gè)例子強(qiáng)調(diào)了空間維的一點(diǎn)微妙而重要的特征：空間維有兩種。它可能很大，延伸遠(yuǎn)，能直接顯露出來；它也可能很小，卷縮了，很難看出來。當(dāng)然，在這個(gè)例子里你用不著費(fèi)多大力氣就能把“卷縮起來的”繞管子的小圓圈兒揭露出來，那只需要一副望遠(yuǎn)鏡就行了。不過，假如管子很細(xì)——像一根頭發(fā)絲兒或毛細(xì)管——要看清那卷縮的維就不那么容易了。

后來1926年，數(shù)學(xué)家克萊因把它說的更清晰和具體，他認(rèn)為：我們的宇宙的空間結(jié)構(gòu)既有延展的維，也有卷曲的維。也就是說，我們的宇宙有像水管在水平方向上延伸的、大的、容易看到的的維度，也有像水管橫向的圓圈那樣的卷曲的維度，這些維度非常小，以至于我們很難觀察到。結(jié)合當(dāng)時(shí)最新的量子理論，他們認(rèn)為，這些卷曲的維度的大小可能小到普朗克長(zhǎng)度，是實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。此后，物理學(xué)家把這種可能存在的額外小空間維的思想稱之為：卡魯扎-克萊茵理論。

同時(shí)，卡魯扎的猜想最大的驚喜并不是宇宙的多維度可能，而是根據(jù)他的理論，將引力和電磁力這兩種毫不相關(guān)的力聯(lián)系起來了。他的理論指出，兩種力都伴隨著空間結(jié)構(gòu)的波動(dòng)，引力在我們熟悉的3維空間中波動(dòng)，而電磁力則在新的卷曲空間中蕩漾。在很長(zhǎng)一段時(shí)間，愛因斯坦和物理學(xué)家都認(rèn)可了這種猜想，但后來，克萊茵發(fā)現(xiàn)它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的矛盾，例如把電子納入理論所預(yù)言的質(zhì)量與電荷的關(guān)系，大大偏離了觀察的數(shù)值。因此，在此后很長(zhǎng)一段時(shí)間，宇宙多維理論變成了一個(gè)邊緣理論。

多年以后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將多維理論和引力和超對(duì)稱性結(jié)合起來，提出了高維超引力，從而將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論融合起來，緩和了它們之間的矛盾。但是物理學(xué)家們還是覺得缺少了一個(gè)基本的線索將它們縫合在一起，1984年，這個(gè)線索出現(xiàn)了。那就是：弦。

90年代中期，惠藤根據(jù)他本人和一些物理學(xué)家的結(jié)果，提出了一個(gè)驚人的理論：弦理論實(shí)際上需要十一維度，也就是十維度的空間加上一維度的時(shí)間，關(guān)于這個(gè)結(jié)論，我們?cè)谏院髸?huì)詳細(xì)闡述原因。根據(jù)宇宙大爆炸理論，我們可以想象，在大爆炸一開始，三維的空間和一維的時(shí)間被展開，一直膨脹到我們今天的尺度，但是其余的空間維度仍然卷縮在一個(gè)非常小的尺度中沒有展開。

也有一些物理學(xué)家提出，有10維的空間維度，是否存在更多維度的時(shí)間呢？這是一個(gè)大膽的假設(shè)。未來也許有新的理論誕生，時(shí)間維度將在其中扮演更多有趣的角色。

19世紀(jì)德國(guó)著名物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家黎曼的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)，描述了任意維彎曲空間的幾何方法，是廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)靈魂。廣義相對(duì)論斷言宇宙的彎曲性質(zhì)就是由黎曼的幾何描述的。但是按照量子力學(xué)，認(rèn)為這樣的幾何方法只能描述大尺度上的宇宙，在普朗克長(zhǎng)度下宇宙，應(yīng)該是一種新的幾何方法才能適用。而這種幾何框架就是：量子幾何。

與黎曼幾何不同，現(xiàn)在的弦理論還找到不到與之對(duì)應(yīng)的幾何方法，因?yàn)樵谟钪嫖锢韺W(xué)中，我們依然把星系當(dāng)作一個(gè)個(gè)點(diǎn)，因?yàn)樗麄兊拇笮∨c整個(gè)宇宙比起來是小的可憐的。因此黎曼的幾何學(xué)在大尺度的宇宙上適用的。但是在弦理論下，宇宙是由一根根弦（線圈）而不是點(diǎn)構(gòu)成的，因此在這個(gè)微觀尺度上，黎曼的幾何學(xué)就不適用的了。

當(dāng)?shù)匚锢韺W(xué)普遍的認(rèn)可，宇宙始于150億年前的一次爆炸，但是當(dāng)前的宇宙是還在不斷膨脹還是收縮呢？

這是一個(gè)讓物理學(xué)家迷惑的問題。因此他們將宇宙的密度作為一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，如果宇宙的平均密度超過每立方厘米十萬(wàn)億億億分之一克的臨界密度（相當(dāng)于宇宙中每立方米中有5個(gè)氫原子），那么就有足夠大的引力將穿透宇宙，將宇宙從膨脹中拉回來，也就是，只要超過這個(gè)密度，宇宙就會(huì)開始收縮。如果密度小于這個(gè)密度，宇宙引力就會(huì)很弱，宇宙就將永遠(yuǎn)膨脹下去。

但我們通常認(rèn)為，宇宙的密度應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)密度，當(dāng)前地球上任意一個(gè)物體的密度都要大于這個(gè)值，但是，物質(zhì)就像金錢一樣，會(huì)朝某些地方聚集，整個(gè)宇宙中大部分是真空區(qū)域。就像我們不能拿比爾蓋茨的財(cái)富作為全球財(cái)富的指標(biāo)一樣。

天文學(xué)家通過仔細(xì)研究星系在空間中的分布，結(jié)果宇宙的密度要比臨界值小很多，按理說宇宙應(yīng)該還是在不斷膨脹的。但研究發(fā)現(xiàn)，有足夠的證據(jù)證明宇宙是充滿暗物質(zhì)的，這些暗物質(zhì)不參與恒星能源的核聚變，所以不會(huì)發(fā)光，我們無法觀察到。所以具體宇宙的密度是多少，我們今天還不清楚，因此，宇宙是在膨脹還是在收縮我們也不清楚。

如果我們假設(shè)今天的宇宙密度大于臨界值，那么有一天整個(gè)宇宙將重新收縮成為一個(gè)點(diǎn)，而且收縮的速度應(yīng)該是不斷加大的。最終宇宙將回到它的原始狀態(tài)。但是按照弦理論，宇宙在任意空間維度上都不可能收縮到普朗克長(zhǎng)度以下，而且弦理論還發(fā)現(xiàn)宇宙應(yīng)該有一個(gè)極限的小尺度，因?yàn)楫?dāng)卷縮的空間向著比普朗克長(zhǎng)度更小的尺度收縮時(shí)，弦會(huì)化解這樣的收縮，把空間幾何扭轉(zhuǎn)過來。

所以，我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：當(dāng)宇宙空間收縮到普朗克長(zhǎng)度時(shí)，宇宙又會(huì)重新開始膨脹，直到密度到達(dá)一個(gè)臨界值，宇宙又開始重新收縮，如此往復(fù)。