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弦理论的出现被称为科学革命，但它已经酝酿很长时间了。和有些政治革命一样——但不像过去的科学革命——有几个先驱者早就预言了弦理论革命的到来，他们在相对隔离的环境下奋斗了多年。他们从20世纪60年代开始研究强相互作用粒子——即夸克构成的粒子，如质子和中子，因而受强核力的作用——在散射时会发生什么。这不属于那五大问题，因为现在，至少在原则上，我们可以用标准模型来解释。但在标准模型之前，这是基本粒子物理学家的核心问题之一。
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除了质子和中子，还有很多夸克组成的其他粒子，它们是不稳定的，是在加速器中打碎高能质子流而产生的。从20世纪30年代到60年代，我们积累了大量关于不同强相互作用粒子及其碰撞现象的数据。
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1968年，年轻的意大利物理学家维尼齐亚诺（Gabriele Vene-ziano）从数据中发现了一种有趣的模式。他找到一个公式来描述这种模式，公式表达的是两个粒子相互散射时在不同角度出现的概率。维尼齐亚诺的公式惊人地符合一些实验数据。35
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公式吸引了他在欧美的一些同事的兴趣，他们都对它感到疑惑。到1970年，有几个人已经可以用物理图像来解释公式了。根据那种图像，粒子不能看作点（它们以前总是被看作点的）；相反，它们更像“弦”，只存在于一维，可以像橡皮筋那样拉伸。它们获得能量时伸展，失去能量时收缩——也和橡皮筋一样。而且，它们也和橡皮筋一样振动。
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维尼齐亚诺的公式就这样成了通向新奇世界的一道门，那个世界的强相互作用粒子都是橡皮筋，在运动中振动，彼此碰撞并交换能量。振动的不同状态对应着在质子破碎实验中产生的不同类型的粒子。
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维尼齐亚诺公式的解释是芝加哥大学的南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、玻尔研究所的尼尔森（Holger Nielsen）和斯坦福大学的苏斯金（Leonard Susskind）独立发现的。每个人都认为他做了一件迷人的事情，但发现他们的工作却没多大意思。苏斯金的文章被《物理学评论通讯》拒绝了，说他的见解还达不到发表的要求。后来，他在一次访谈中说，“嘭！我就像被垃圾筒打中了脑袋，感到非常非常憋屈。”36
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但还是有几个人接受了它，并开始做研究。也许应该更准确地称后来的思想为皮筋论。可那个名字有失尊严，所以诞生的是弦论。
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作为强相互作用粒子的理论，弦理论后来曾一度被标准模型取代。但这并不意味着弦理论家错了；实际上，强相互作用粒子确实很像弦。我们在第四章讨论过，夸克之间的力现在由规范场描述，其基本定律由量子色动力学（QCD）确定，那是标准模型的组成部分。但在某些情形下，结果也可以描述为夸克之间连着橡皮筋。这是因为强核力与电磁力截然不同。电磁力随着距离增大而衰减，而夸克之间的力则在夸克分开时趋于常数，然后不论距离分开多远都保持那个常数。正因为这一点，我们在加速器实验中看不到自由夸克，而只能看到夸克组成的粒子。然而，当夸克靠近时，它们之间的力会减弱。这一点很重要。只有当夸克相距足够远时，才能满足弦（或皮筋）的图景。
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最早的弦理论家们缺乏这个基本认识。他们想象了一个由橡皮筋周期性地连接的夸克世界——就是说，他们想让弦论成为一个基础理论，而不是任何更深层理论的近似。当他们想通过弦来理解弦时，麻烦就来了。问题来自他们为理论加的两个合理要求：首先，弦论应该与爱因斯坦的狭义相对论一致——就是说，它应该满足运动的相对性和光速的不变性。第二，它应该与量子理论一致。
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经过几年的研究，人们发现弦论作为一个基础理论，只有在满足几个条件时才能与狭义相对论和量子论一致。第一，世界必须有25个空间维。第二，应该存在比光还快的粒子——快子。第三，应该存在不能静止的粒子。我们称这些粒子为无质量粒子，因为质量是静止粒子的能量的度量。
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世界似乎没有25个空间维，为什么那理论没有被抛弃，这成了科学的一大疑问。我们能肯定的一点是，由于弦理论对额外空间维的依赖，在1984年前，很多人都没把它当真。很多人在观望，看到底谁是对的——是那些在1984年前拒绝多维的人还是那些在后来相信存在多维的人？
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快子也引出了问题。人们从未见过它们；更糟糕的是，它们的存在意味着理论是不稳定的，而且很可能存在矛盾。而且，在这种情形下，没有一个强相互作用粒子是零质量的，因此它不能作为强相互作用粒子的理论。
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还有第四个问题。弦论包含着粒子，但不是所有自然存在的粒子。它没有费米子——也就没有夸克。这对想成为强相互作用的理论来说简直是一个巨大的难题！
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四个问题中的三个是同步解决的。1970年，理论家拉蒙德（Pierre Ramond）改写了描述弦的方程，使它有了费米子。37他发现理论只有在具有新对称的情形下才能是和谐的。那种对称将混合新旧粒子——就是说，混合玻色子与费米子。拉蒙德就这样发现了超对称性；于是，不论弦论的命运如何，它是发现超对称的一条路线，也是孕育新思想的温床，已经硕果累累了。
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新的超对称弦论还解决了两个其他问题。它没有快子，清除了人们接受它的一个主要障碍；它也没有25维，只有9个。虽然9维不是3维，但接近了很多。加上时间维，新的超对称弦（简称超弦）居于一个10维的世界。它比11少1，而奇怪的是，11是能写出超引力理论的最大维数。
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大约同时，纳维（Andrei Neveu）和施瓦兹（John Schwarz）提出将费米子引入弦的第二种方法。和拉蒙德的理论一样，他们的理论也没有快子，也居于9个空间维的世界。纳维和施瓦兹还发现，他们可以让超弦发生相互作用，从而得到了与量子力学和狭义相对论一致的公式。
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于是，只剩下一个疑难了。假如新的超对称理论包含零质量粒子，那它如何成为强相互作用的理论呢？但事实上真的存在没有质量的玻色子。光子就是一个。光子永远不会静止，只能以光速运动。所以它有能量但没有质量。假想的与引力波相伴随的引力子也是这样的。1972年，纳维和另一个法国物理学家谢尔克（Joel Scherk）发现，超弦具有对应于规范玻色子（包括光子）的振动状态。这是朝正确方向迈出的第一步。38
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两年后，谢尔克和施瓦兹迈出了更大的一步。他们发现，理论所预言的某些零质量粒子其实就是引力子。39（日本物理学家民秋米谷（Tamiaki Yoneya）也独立发现了同样的思想。）40
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弦论包含规范玻色子和引力子的事实，令一切都改变了。谢尔克和施瓦兹马上就提出，弦论不是强相互作用的理论，而是一个基本理论——统一引力与其他力的理论。为了说明这是多么美妙而简单的思想，我们来看光子和引力子是如何从弦产生出来的。弦可以是闭的，也可以是开的。闭弦是一个圈，开弦是一根线，有端点。可能是光子的零质量粒子既来自开弦的振动，也来自闭弦的振动。引力子则只能来自闭弦（圈）的振动。
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开弦的端点可以视为带荷的粒子。例如，一端可以是带负荷的电子，另一端可以是带相反电荷的正电子。端点之间的弦的无质量振动描述了在两个粒子之间传递电力的光子。于是，我们可以用相同的方式从开弦得到粒子和力。如果理论设计足够巧妙，它还可以生成标准模型里的所有力和粒子。
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如果只有开弦，就没有引力子，这就把引力排除在外了。但人们发现还必须考虑闭弦，原因是大自然在粒子和反粒子之间产生碰撞，碰撞生成或湮灭光子。从弦的观点看，这可以描述为弦的两个端点靠近并结合在一起。端点消失了，留下一根闭弦。
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实际上，为了让理论与相对论一致，粒子-反粒子湮灭与弦的靠近是必须的，这意味着理论要求具有闭弦和开弦。但这说明它必须包括引力，而用开弦与闭弦的差别可以自然地解释引力与其他力的差别。这样，引力第一次在力的统一中扮演了中心角色。
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这难道不美吗？它那么令人信服地把引力包括进来，任何有理性和知识的人——特别是那些在统一力的道路上追寻了多年而一无所获的人——大概仅凭这一点就会相信它，而不在乎它是否有具体的实验证据。
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可它是怎么产生的呢？有什么定律要求弦的端点靠近并结合吗？这儿藏着理论最美妙的特征，运动与力达成了某种统一。
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在多数理论中，粒子运动与基本力是两个不相干的事情。运动定律讲的是粒子在没有外力情形下的运动。从逻辑上讲，运动定律与力的定律没有关系。
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