我們需要多維空間。人們一開始可能不太喜歡多維，但它的確十分有用。只有在多維條件下，弦理論才能描述各種基本粒子，基本粒子間各種作用力以及引力。

——愛德華·威滕（Edward Witten）

艾薩克·牛頓是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)宇宙萬(wàn)物的本質(zhì)其實(shí)就是粒子和粒子之間的作用力的人。我們現(xiàn)在知道共有四種基本粒子，物質(zhì)的引力和電磁力極為相似。電磁力將我們體內(nèi)的各原子束縛在一起，也是電力文明的基礎(chǔ)。1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)現(xiàn)這些力中有一個(gè)力很出人意料。

宇宙には少なくとも10次元があるかもしれない。

多次元空間が必要だ。人々は多次元性があまり好きではないかもしれないが、それは確かに有用だ。

アイザック?ニュートンは宇宙萬(wàn)物の本質(zhì)を発見した最初に粒子と粒子の間の力を発見した人で、4つの基本的な粒子があり、物質(zhì)の引力と電磁力が非常に似ていることを知っている。

但對(duì)牛頓而言，太陽(yáng)與地球之間的引力卻像一條看不見的鎖鏈，把地球拴住了再也逃不開太陽(yáng)的束縛。愛因斯坦站出來(lái)提出異議。他認(rèn)為質(zhì)量如此大的太陽(yáng)將它周圍的時(shí)空都扭曲了，于是時(shí)空就成了以太陽(yáng)為中心下陷的一個(gè)山谷，而地球就在山坡上某個(gè)高于太陽(yáng)的位置繞圈轉(zhuǎn)。愛因斯坦認(rèn)為，引力說(shuō)穿了就是一個(gè)我們自己制造出來(lái)的說(shuō)法。引入引力，我們才能描述我們?cè)谒木S空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。因?yàn)槲覀兪侨S生物，根本無(wú)法感知四維空間。這種看待引力的方式在20世紀(jì)20年代，讓兩位物理學(xué)家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）和奧斯卡·克萊因（Oskar Klein）很是著迷。他們不在一起工作，但他們都受到愛因斯坦的引力理論啟發(fā)，開始思考電磁力（除引力外，當(dāng)時(shí)唯一知道的基礎(chǔ)力）可能也是更高維空間扭曲在三維世界的表現(xiàn)。這種說(shuō)法的確有些道理，卡魯扎和克萊因都成功地解釋了引力和電磁力都是五維時(shí)空扭曲所導(dǎo)致產(chǎn)生的。

卡魯扎和克萊因堅(jiān)持認(rèn)為，我們之所以看不見實(shí)在的五維時(shí)空，是因?yàn)槎嗑S空間是卷曲成比原子還小的存在。然而，不久后他們的理論就被束之高閣了。因?yàn)榭茖W(xué)家們研究原子核時(shí)發(fā)現(xiàn)了另外兩種基本力：強(qiáng)核力以及弱核力。它們作用范圍非常之短，是一種短程力。

ニュートンにとって、太陽(yáng)と地球の間には、見えない鎖のような引力が働いていて、地球を太陽(yáng)から逃がさないようにしていたのです。アインシュタインが異議を唱えましたこれほどの質(zhì)量の太陽(yáng)が、そのまわりの時(shí)空をねじ曲げてしまったために、時(shí)空は太陽(yáng)を中心にして沈みこんだ谷となり、地球はその丘の上の、太陽(yáng)より高い位置を回っていると考えたのです。アインシュタインは、重力というのは、要するに私たちが作ったものだと考えていました。重力を?qū)毪工毪长趣?次元での運(yùn)動(dòng)を記述することができます私たちは3次元の生き物で4次元を知覚することはできませんこの重力の捉え方は、1920年代の二人の物理學(xué)者セオドア?カルツァとオスカー?クラインを魅了しました。二人は一緒に仕事をしていませんでしたが、アインシュタインの重力理論に觸発され、電磁力(重力以外に唯一知られていた基礎(chǔ)的な力)は、より高次元空間の歪みを3次元世界で表現(xiàn)したものではないかと考えるようになりました。たしかにこれは一理あって、カルツァもクラインも、重力も電磁力も五次元の時(shí)空の歪みによるものだと説明しています。

カルツァとクラインは、現(xiàn)実の五次元時(shí)空が見えないのは、多次元空間が原子よりも小さく折り曲げられた存在だからだと主張しました。しかし、やがて彼らの理論はお蔵入りになりました。なぜなら、科學(xué)者たちは原子核を研究しているときに、二つの基本的な力を発見したからです。強(qiáng)い核力と弱い核力です。作用範(fàn)囲が非常に短い、短距離力です。

半個(gè)世紀(jì)后，物理學(xué)界對(duì)強(qiáng)力的多方面研究無(wú)一不展示著一個(gè)結(jié)論：組成萬(wàn)物的基本粒子——六種夸克和六種輕子——是由四種基本力黏合在一起的，而這些基本粒子可能并不像迷你版的臺(tái)球那樣是個(gè)圓球體，它們可能是一條帶著質(zhì)能的一維弦狀物。弦理論認(rèn)為，這些弦的不同震動(dòng)產(chǎn)生了不同的基礎(chǔ)粒子：緩慢而低能量的震動(dòng)對(duì)應(yīng)著輕的粒子；而快速高能量的震動(dòng)則代表重的粒子。你可以想象一下小提琴弦的震動(dòng)。根據(jù)弦理論的終極分析得出，物理學(xué)其實(shí)就是一種音樂。

就如基本粒子是由弦的不同震動(dòng)產(chǎn)生的一樣，那么傳遞作用力的微粒應(yīng)該也是由弦震動(dòng)產(chǎn)生的。量子理論成功地解釋了原子及其組成成分。量子物理認(rèn)為，基礎(chǔ)力就是通過(guò)交換攜帶作用力的粒子而產(chǎn)生的。比如在電磁力作用中，攜帶作用力的媒介就是光子。多維空間的設(shè)想又一次浮現(xiàn)，但這一次與卡魯扎和克萊因提出的設(shè)想不太一樣。為了描述四種基礎(chǔ)力，需要引入十維空間的概念。換句話說(shuō)，卡魯扎和克萊因兩人認(rèn)為宇宙的維數(shù)應(yīng)該是五維，比我們熟知的四維時(shí)空維度多一維，但是實(shí)際上應(yīng)該多足足六維才能解釋清楚這四種基礎(chǔ)力。因?yàn)槲覀儚奈从^察到任何多維空間，所以弦理論學(xué)家們認(rèn)為多維空間是緊縮的，或者說(shuō)多維空間卷縮得比原子還要小。

半世紀(jì)後、物理學(xué)における強(qiáng)さに関する様々な研究は、すべてのものを構(gòu)成する素粒子——6つのクォークと6つのレプトン——は4つの基本的な力によって結(jié)合されているという結(jié)論を示しています。弦理論では、弦の異なる振動(dòng)は異なる基礎(chǔ)粒子を生成すると考えられています:ゆっくりとした低エネルギーの振動(dòng)は軽い粒子に対応します;速くてエネルギーの高い振動(dòng)は重い粒子を表しますバイオリンの弦の振動(dòng)を想像してください弦理論の究極の分析によれば、物理學(xué)は音楽なのです。

素粒子が弦の振動(dòng)によって生じるように、力を伝える粒子も弦の振動(dòng)によって生じるはずです。量子論は原子とその構(gòu)成要素を説明することに成功しました量子物理學(xué)では、基本的な力は力を持つ粒子を交換することで生じると考えられています。たとえば電磁力では、力を運(yùn)ぶ媒介は光子です。再び多次元の発想が浮かびましたが、今回はカルツァやクラインの発想とは違います。4つの基礎(chǔ)的な力を記述するには、10次元空間の概念を?qū)毪工氡匾ⅳ辘蓼埂Ｑ预Qえれば、カルツァとクラインの二人は、宇宙の次元は四次元よりも一次元多い五次元であるべきだと考えていましたが、実際には四次元の基礎(chǔ)力を説明するためには六次元もあるはずだったのです。我々は多次元空間を全く観察していないので、弦理論の研究者は、多次元空間は縮んでいる、あるいは原子よりも小さく縮んでいると考えます。

雖然我們從沒見過(guò)這多出來(lái)的六維空間，但是也許你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己理解起來(lái)也沒多大困難，那么你再想想先前說(shuō)的弦。弦微小到了匪夷所思的地步，比氫原子都還要小上一萬(wàn)億倍，它根本不可能被人觀測(cè)到。也就是說(shuō)，我們不能寄希望于通過(guò)找到它，進(jìn)而直接肯定或否定弦理論。

所以事實(shí)就是，雖然很明顯我們是生活在四維空間里的（還記得愛因斯坦說(shuō)的嗎？引力是四維空間的表象），但是我們無(wú)法觀測(cè)到弦，而且弦理論還認(rèn)為我們應(yīng)該是生活在十維空間里。你是不是會(huì)感到疑惑，既然弦理論如此讓人毫無(wú)頭緒，那為什么科學(xué)家還是對(duì)它這般著迷？這就要說(shuō)一說(shuō)20世紀(jì)物理學(xué)界兩個(gè)最為偉大的成就了——一個(gè)是愛因斯坦的萬(wàn)有引力定律，也就是人們熟知的廣義相對(duì)論；另一個(gè)就是量子理論。前者描述了宏觀世界（宇宙）的運(yùn)行規(guī)律；后者是微觀世界（原子以及其構(gòu)成）世界的運(yùn)行規(guī)則。然而，在遙遠(yuǎn)的宇宙大爆炸之初，現(xiàn)在的宏觀宇宙世界在那時(shí)還是微觀世界——那時(shí)的宇宙比原子還小。所以，要理解宇宙的起源，我們就需要一個(gè)通用理論，一個(gè)能同時(shí)適用于宏觀以及微觀世界的理論?？茖W(xué)發(fā)展至今日，弦理論仍是唯一一個(gè)能統(tǒng)一宏觀和微觀世界的理論。我們假設(shè)萬(wàn)有引力有個(gè)量子級(jí)的搬運(yùn)工，叫作引力子，引力子正是一種以特定方式震動(dòng)的弦（準(zhǔn)確地說(shuō)是一個(gè)封閉的圈環(huán)）。因此，雖然弦理論是描述基本量子世界的理論，但是包含萬(wàn)有引力定律（宏觀世界法則）。

私たちは6次元空間を見たことがありませんが理解するのはそれほど難しいことではありません弦は水素原子よりも一兆倍も小さく、人間が観測(cè)するのは不可能です。つまり、ひも理論を直接肯定したり否定したりすることはできません。

私たちは明らかに4次元で生きています(アインシュタインの言葉を覚えていますか?重力は4次元の表象ですが弦を観測(cè)することはできませんひも理論がこれほどピンとこないのなら、なぜ科學(xué)者はひも理論に夢(mèng)中なのかと疑問(wèn)に思われませんか?これは1つの20世紀(jì)の物理學(xué)界の2つの最も偉大な業(yè)績(jī)を言わなければなりません——1つはアインシュタインの萬(wàn)有引力の法則で、人々がよく知っている一般相対性理論です;もう一つは量子論です前者はマクロ世界(宇宙)の運(yùn)行法則を記述します;後者はミクロの世界(原子とその構(gòu)成)の世界の仕組みです。しかし、ビッグバンのはるか昔、今の大きな宇宙世界はまだミクロの世界でした——宇宙は原子よりも小さかったのです。ですから、宇宙の起源を理解するには、マクロの世界とミクロの世界の両方に通用する理論が必要なのです。ひも理論は、科學(xué)が発展してきた今でも、マクロとミクロの世界を統(tǒng)一できる唯一の理論です。萬(wàn)有引力には重力子と呼ばれる量子レベルの運(yùn)び手があると仮定します。重力子は特定の振動(dòng)をする弦(正確には閉じた環(huán))です。したがって、弦理論は基本的な量子世界を記述する理論ですが、萬(wàn)有引力の法則(マクロ世界の法則)を含みます。