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第七章 孕育革命
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当我们遭遇一个不能仅仅以理解它的方式来解决的问题时，科学前进的步伐就会停下来。那是因为我们遗失了一样根本的东西，一种不同的技巧。不论我们多么勤奋，总不能找到答案，直到有人突然发现了那失去的链条。
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人类第一次面对的这种事情大概是日食。经历过天空突然黑下来的一幕之后，天文学家们要做的第一件事情肯定是寻求一种方法来预言这种可怕的事件。人们在几千年前就开始了日食观测，同时还记录太阳、月亮和行星的运动。不久他们就明白J太阳和月亮的运动是周期性的，我们有证据证明人类在洞穴时代就知道那些事实了。不过日食要困难一些。
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早期的天文学家对几件事情是很清楚的。太阳和月亮在空间沿不同的路线运行，日食发生在它们相遇的时刻。它们的路线在两处相交。只有当日月在那两处之一相遇时，才可能发生日食。因此，为了预言日食，必须跟踪太阳在一年的路径和月亮在一月的路径。只要跟踪两条路径，关注两个天体什么时候相遇，就可以预言了。其意义在于，必然存在一种在29天半的时间间隔内不断重复的模式，那就是月亮的周期。
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但这个简单的思想是不对的：日食并不服从月亮周期所决定的模式。我们很容易理解前辈天文学家们的作为，他们想协调两大天体的运动，然而失败了。那对他们来说，也许和我们今天协调广义相对论与量子论是一样的疑惑。
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我们不知道是谁发现有元素丢失了，但不管是谁，我们都要感谢他。我们可以想象，一个天文学家，也许在巴比伦或古埃及，突然意识到原来需要考虑的周期运动不仅仅只有两个，而是三个。他也许是一个智者，经过几十年研究之后，就把数据都铭记在心了。他也许是一个年轻的叛逆，不囿于一定要用看得见的东西来解释看见的东西。不管情形怎样，他从数据中解开了神秘的第三个周期运动，它不是一年或一月发生一次，而是十八又三分之二年发生一次。结果发现，两个路径在天空的交点不是固定的：交点也在转动，需要十八年多的时间才转一圈。
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第三个运动的发现——那丢失的元素——肯定算是抽象思维的一个最古老的成功例子。我们看到两个物体，太阳和月亮，很早就知道它们每个都有周期。而要“看到”还有一样东西也在运动，就需要想象了：它们的路径也在转动。这是深远的一步，因为它需要我们认识到在观测的运动背后还存在另一种运动，而那只能演绎推理才能发现。那时以来，科学通过发现那种丢失的环节取得进步的例子，只有寥寥的几个。
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另一个这样的例子是人们发现基本粒子不是点粒子而是弦的振动。这对几个物理学大问题提供了合理的回答。如果它是对的，那么它与古人的圆周轨道本身也在运动的发现，是同等重要的认识。
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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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