30分钟读完:《宇宙的琴弦》你所不知道的宇宙学
作者简介：
B·格林，毕业于哈佛大学，在牛津大学获博士学位，曾是那的Rhodes学者。1990年，他来到康奈尔大学物理系，1995年被聘为教授，1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座，公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。他现在住纽约绮色佳。
B·格林十分精妙地把科学思想与写作融合起来。本书撩开了弦理论的神秘面纱，揭示了一个十一维的宇宙。那里，空间的纤维撕裂了又自己缝合起来，一切物质——从最小的夸克到最巨大的超新星——都在微观的小能量环的振动中产生。
本书荣获2000年安万特科学图书奖。从愉快的园中漫步到浇花龙头上的蚂蚁，为了说明现代物理学正在揭示的美妙而困惑的实在，格林用了很多例子。 本书的才情令人眩晕，也没有哪本书像它那样启迪思想，愉悦读者。它真是一部科学的杰作——一次愉快清心的现代物理学旅行，让我们比以前离宇宙更近了……
知识的边缘
现代物理学有两大支柱理论：
1：爱因斯坦的相对论，它从大尺度上解释了宇宙，如恒星，星系，星系团以及比它们更大的宇宙自身的膨胀的现象提供了理论框架。
2：量子力学，它从小尺度上解释了分子、原子以及比原子更小的粒子，比如电子和夸克的存在提供了理论框架。量子力学是由许多科学家，包括普朗克、海森堡、波尔、薛定谔等人共同提出。
但一个不幸的消息是，这两个理论是不相容的是不同的，夸克的疯狂舞蹈的运行轨迹和天体的规律运行是完全不一样的。但从宇宙是一个整体，不应该存在两种完全不同的理论，所以这两种理论不可能都正确，也就是，有个理论或者说两个理论肯定是错误的。但是最近科学家提出了第三章能解释这两个理论的：超弦理论。也就是本书正要讲解的。它从最基本的层面上描述了宇宙的规模，缓解了广义相对论和量子力学的紧张关系和不可调和的矛盾。这是一种“大”的定律和“小”的定律的结合，让我们从第三个视角观察宇宙。超弦理论极大地改变了我们对空间、时间、物质的认知，今天，就让我们开始这次奇妙的之旅吧。
科学史上人类对宇宙的认识经历了三次冲突。
第一次冲突：在19世纪末，根据牛顿的运动定律，谁如果跑的足够快，就能赶上过去的光束。但是根据麦克斯韦的电磁学定律，谁的跑不过光。后来爱因斯坦的狭义相对论解释了这个问题，它推翻了时间和空间的认知，时间和空间并不是固定不变的，它们是灵活多变和运动的状态。后续我们会讲到。
第二次冲突：爱因斯坦认为任何物体都不可能跑得比光快。但是牛顿的引力理论却让我们看到了有一些东西可以瞬间穿越巨大的空间距离。后来，爱因斯坦提出了广义相对论解决了这个问题。认为空间和时间不仅是运动的，而且还可以弯曲。空间和时间结构的这种扭曲将引力作用从一个地方传到另外一个地方。
第三个冲突：19世纪的物理学概念用于微观世界时，出现了大量的问题。从1900年此后的30年里，物理学家们开创了量子力学，用来解释微观世界的宇宙规律。这些也将在后续详细阐述。
20世纪80年代中期，弦理论为我们带来了量子力学和广义相对论的调和的一种解释框架。同时再一次颠覆了我们对时间和空间的概念。比如通常情况下，我们认为宇宙是三维的，但实际上宇宙是11维的。
人类对于宇宙的认识，古希腊人认为宇宙万物应该是由一些基本他们称之为“原子”的原材料组成，而且这些原材料应该数量并不多。就像我们用26个英文字母组成了千千万万的语言和文字世界一样。直到19世纪，科学家们还认为原子是组成宇宙最小的最基本的单位，但是20世纪30年代，科学家发现原子并不是最小的，里面还包含着质子和中子，核外还绕着一群旋转的电子。后来很长一段时间这种理论被延续。但是在1968年，人类利用强大的技术力量探索了物质更加微观的层面。发现质子和中子都不是最基本的。它们都是由更小的“夸克”组成。夸克分为两种，上夸克和下夸克。质子是由两个上可夸克和一个下夸克组成；中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。后来，科学家们又发现了更小的粒子，称之为：中微子，这种中微子并不常见，它们像幽灵一样，很少与其他物质发生相互作用，能穿透几百亿千米的物质，它们就这样孤独地，毫无顾忌地在宇宙中穿行。
但我们对微观世界的探索还没有结束，科学家们又相继发现了μ子、四种夸克，粲、奇、底、顶以及π、另外π有两个性质与中微子相同的粒子。同时发现，每一个粒子都有一个质量相同、电荷相反的反粒子。比如电子的反粒子就正电子，电子的电荷为-1，正电子的电荷为+1。物质与反物质接触时，会相互湮灭，生成纯粹的能量。
那么问题就来了，我们为什么需要那么多粒子？我们周围的事物似乎只需要电子、上夸克和下夸克就够了吗？
力-光子在哪儿？
在当前的物理学理论中，宇宙存在四种基本力的组合：引力；电磁力；弱力和强力。
引力大家比较熟悉，我们能在站在地球表面，也就是引力的作用，牛顿也提出了万有引力定律。物体质量和引力之间存在直接关系。
电磁力也是比较熟悉的，它是现代生活中一切方便的动力，比如光、计算机、电视、电话等信号传播中的一种力，粒子电荷在电磁力中扮演做物理质量在引力中的角色：决定粒子能产生多强的电磁力，对电磁力的反应有多大都是粒子电荷决定的。
但是，强力和弱力对大家来说就比较陌生了。因为它们在超过亚原子尺度之外就完全失效了。它们是作用在原子核中的力，强力将夸克“胶结”在质子和中子内部，又把质子和中子紧紧地捆绑在一起塞进原子核。弱力最为人熟悉的作用是物质的放射性衰变。
所有这四种力有两个共同点。
第一：在微观层面，所有的力都关联着一个粒子，我们可以把那些粒子想象成为最小的力元。
第二：力由某种“荷”来决定，如质量决定引力如何对粒子产生作用，电荷决定电磁力如何发生影响，粒子还被赋予一定的“强荷”和“弱荷”，它们决定着粒子如何感应强力和弱力的作用。
但是关于宇宙的力，我们还是有很多疑问，比如为什么只是4种，不是5种或者6种？为什么强力和弱力只在微观的尺度上才发生作用等等。
超弦理论
在宏观上的广义相对论和微观上的量子力学基础上，物理学家们提出了能融合两种理论，并且能有效解决当前未解之谜的问题的更加基础的理论：超弦力量。
如下图所示，以前我们从原子走到质子、中子、电子和夸克，现在超弦在它的前面添加了一个基本的微观振动线圈，这个基本的粒子称之为弦，是类似一个闭环的橡皮筋一样的物质。在超弦理论中，宇宙万物是由振动的丝弦组合构成的，弦理论提供了一个能囊括一切力和物质的解释框架。比如弦理论认为不同的粒子的性质是由弦的不同振动方式决定的，粒子的质量和力荷有弦的振动模式决定。电子和夸克都是以某种方式振动的弦。粒子的性质绝非一堆混乱的实验结果，而是同一物质特性的具体表现：基本闭合弦的共振模式。
弦理论的提出，是物理学史上第一次有了一个能解释宇宙以及构成的所有基本特征的理论框架，是一种被认为或者说期待的包罗万象的理论。尽管过去20多年，超弦理论取得了巨大的进步，但其实还是一个发展中的理论，还不完成成熟，还需要科学家们不懈的努力，去一步步解开宇宙的奥秘。
时间、空间和观众的眼睛
今天的内容主要是阐述了爱因斯坦的狭义相对论，时间、空间以及光的的原理。由于内容过于抽象，书中也列举了大量的思想实验进行验证和说明，这里我筛选了部分实验和结论为了大家讲述。
爱因斯坦的狭义相对论指出，空间和时间都不是绝对的，构成狭义相对论基础的两个简单的原理：
1：一个与光的性质有关，也就是光速是恒定的，光速是10.8亿千米/小时；
2：另外一个相对比较抽象，是相对性原理，也就是运动是相对的。这个原理基于一个简单的事实：不论我们讨论速度的大小还是方向，都必须要明确测量者。这个就是相对论思想的精髓。我们用一个思想实验说明。
假设在浩瀚的宇宙，乔治飘忽在黑暗的空无一物的空间中，从他的角度，他是完全静止的。而远处，他看到另外一个同样漂浮在宇宙中的另外一个人格雷西正向他飘过来。经过他时，他们相互挥了挥手。紧接着，格雷西消失在黑暗的夜空中。这个故事如果从格雷西的角度看，也可以解释为，格雷西自己感觉是静止的，远处的乔治向她飘过来，然后挥了挥手之后消失在夜空中。这两个故事讲的是同一件事情。两个人都觉得自己的静止的。这就是相对性原理的精髓：运动是相对。
在狭义相对论里，不仅运动是相对的，时间和空间的结构密切依赖于观察者和被观察者之间的相对运动。运动物体的演化会变慢，运动物体在时间上会感觉慢了，在运动方向上的长度也变短了。
在爱因斯坦的狭义相对论里，物体的运动大部分是在时间，而不是在空间中度过的。在我们的普遍认知中，我们都是在空间中度过的，我们坐在沙发上看电视，在大街上行走，我们生活在一个三维的空间里，这个大家比较好理解。但爱因斯坦将我们的时间看成宇宙的第四维度，我们实际上是生活在包括时间维度的四维的宇宙中。比如当我们约一个朋友在什么地方见面时，我们除了确定双方的三维空间（就是在什么具体的地方）以外，我们还会约定一个时间，比如下午4点见面。
于此，爱因斯坦将时间和空间的概念统一在一起。前面我们讲到，当物体相对于我们空间运动时，它的时间也会变慢。那么同样的，在时间的维度里，当物体相对时间运动时，它在时间里的运动速度也变慢了。
宇宙间的一切事物总是以一个恒定的速度（光速）在时间和空间里运动，而且我们三维空间和一维时间的相加的速度就是光速。但我们日常生活中运动的物体速度远小于光速，因此我们感觉不到相对效应的存在。这点怎么解释呢？
加入一个物体（相对于我们）是静止的。也就是说它在空间里是不动的，那么相对于我们，这些物体的空间运动速度是0，所以我们和这些物体在时间维度的速度是一样的光速，所以我们会跟它们以一样的速度变老。但是另外一面。如果一个物体相对于我们是运动的，比如汽车从我们身边驶过，那么物体运动的转移意味着它在空间运动速度大于0，所以它在时间速度中就会微小于光速，因为它有一部分运动转移到空间里面去了。也就是说，当物体在空间运动时，它的时间会变慢。
如此推演，当物体在空间中的运动速度为光速时，那么它是时间应该是静止的，也就是时间的速度为0。那么，如果物体的运动速度超过光速，我们就可以时光倒流吗？可惜的是，任何物体的运动不可能超过光速。这是为什么呢？
质能等价理论是爱因斯坦狭义相对论的最重要的推论,即著名的方程式E=mC²,式中E为能量,m为质量,C为光速；也就是说,一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量.由此可以解释为什么物体的运动速度不可能超过光速。
一个静止的物体,其全部的能量都包含在静止的质量中.一旦运动,就要产生动能.由于质量和能量等价,运动中所具有的能量应加到质量上,也就是说,运动的物体的质量会增加.当物体的运动速度远低于光速时,增加的质量微乎其微,如速度达到光速的0.1时,质量只增加0.5％.但随着速度接近光速,其增加的质量就显著了.如速度达到光速的0.9时,其质量增加了一倍多.这时,物体继续加速就需要更多的能量.当速度趋近光速时,质量随着速度的增加而直线上升,速度无限接近光速时,质量趋向于无限大,需要无限多的能量.因此,任何物体的运动速度不可能达到光速,只有质量为零的粒子才可以以光速运动,如光子。
好了，总结下今天的内容，有几点。
1：狭义相对论中，运动是相对，时间和空间也是相对的。
2：我们生活在一个四维空间中，以光速在时空中运行。
3：光速是恒定的，任何物体的运动速度不可能超过光速。
卷曲与波澜
爱因斯坦狭义相对论解释了时间、空间以及光的性质，阐述了万物的运动速度极限是光速，但是却引出了另外一个问题：以光速为物体运动极限的概念与牛顿17世纪后期提出了引力理论是不相容的，因为引力可以瞬间在两个大大质量星体直接传播。换句话说，引力的速度是应该超过光速的。经过多年研究，爱因斯坦提出了广义相对论。在这个理论中，他又一次革新了我们对空间、时间的观念，他证明它们是卷曲着的，而引力就是那个卷曲的波澜。
1642年，牛顿出生于英国的林肯郡，毫无疑问，他是一位科学天才，他对宇宙有无数的发现，其中最为著名的就是万有引力定律。今天我们知道，我们能稳稳地站在地球上而不会漂浮在太空中，就是地球引力的作用。这样简单的常识，在300多年前，没有人知道苹果会落下的原理和行星围绕着太阳公转的原理是一样的。
牛顿认为两个物体之间的引力大小取决于两个因素：组成每个物体的物质总量和物体间的距离。物体质量越大，引力也就也大，反之越小。并且给出了精确计算引力的方程式，称之为：引力定律。直到20世纪初，引力定律一直被公认为不容辩驳的真理。
但是爱因斯坦的狭义相对论提出了光速是一切宇宙万物的运动速度的最大值。但是按照引力定律，两个物体之间的引力和距离是存在关系的。可以试想太阳突然爆炸之后，原理1.5亿千米的地球会立刻脱离太阳的运动轨道，但是光从太阳到地球需要8分钟，也就是说，引力的速度超过了光速，这显然和爱因斯坦的狭义相对论是矛盾的。
在牛顿提出引力的同时，他并没有解释引力到底是什么，也没有说明引力究竟是怎么发生作用的。两个物体相隔亿万里，他们凭什么发生关系的呢？
1907年的一天，爱因斯坦坐在瑞士的一间办公室里，经过曲折坎坷的思维活动，他终于意识到这个问题的答案。狭义相对论通过相对性原理确立了不同观察者的观点都是平等的。物理学定律对一切匀速运动的观察者都是一样的。但是对于那些加速运动者呢？爱因斯坦发现利用了空间和时间的弯曲来讲加速度和引力联系在了一起。让我们看看他是如何做到的。
爱因斯坦通过一系列实验首先证明了所有加速度运动时，空间都是弯曲的，而且时间也是卷曲的。而且爱因斯坦发现，引力其实就是时间和空间的弯曲。这就是广义相对论的思想精髓。什么意思呢？当没有任何物体或者能量时，空间应该在二维平面上是平直的。但是在这个二维平面上，如果有一个很大质量的物体时，这个物体就会让这个平面凹陷，类似于一个球落入一张网上一样。地球绕着太阳转，仿佛有一个绳子将地球和太阳连接在一起。其实就是地球卷入了太阳将空间凹陷的轨道中，我们称这样的现象叫做引力的作用。所以，导致地球和太阳之间的引力的神秘力量，是因为太阳的存在，导致了空间的弯曲。因此爱因斯坦的广义相对论将空间的弯曲结合在了一起解释了引力的作用，阐述了引力的动因是宇宙的结构。
所以按照这一理论，如果太阳爆炸了，由于引力的作用，我们地球还是需要8分钟才知道太阳爆炸的事实。
奇异的微观世界
爱因斯坦为了我们带来了解释宇宙的宏观世界的一套坚贞不破的定律广义相对论，而德国物理学家普朗克给我们带来了宇宙另外一套微观世界的理论：量子力学。量子力学是我们认识微观宇宙的概念框架。当我们考察原子及亚原子的世界时，量子力学将揭示也许更为惊人的微观世界的特性。接下来，就让我们一起进入宇宙的微观世界吧。
1928年，量子力学的许多公式就已经确立了，到现在已经将近100年历史，它是科学史上最精确和最成功的数字预言。爱因斯坦的广义和狭义相对论改变了我们对宇宙世界空间、时间和运动速度的观念。而量子力学向我们展示了宇宙另外一个完全不同的微观世界的自然规律。它们是两个当代物理学的理论支柱，但是爱因斯坦是完全拒绝量子力学的，甚至量子力学的核心人物玻尔曾说过：谁如果在思路量子力学时不曾有过迷惑，他就没有真正懂得它。可见量子力学并不那么容易接受。
很早我们就知道，地球上万物生命的能量来自太阳，电磁波将太阳能带到地球。根据19世纪的热力学，我们知道即便在一个烤炉中，有数个完整的电磁波峰和波谷，而每一列波都被赋予了相同的能量。这样会推导出一个结论，当烤炉内有无限的波时，这个烤炉内具有无限的能量，当然我们知道这是不可能的，和我们的常识相违背。
1900年，普朗克提出了一个激动人心的猜想，消除了无限能量的烦恼，他假设一列波具有的最小能量正比于波的频率，高频波意味着大能力，低频波意味着小能量。就像海上汹涌的波涛都是短波，而平静的湖面都是长波一样。普朗克认为，波的最小能量正比于波的频率，而有的波不会对整体贡献能量的。在一个烤炉内，只有有限的波能对烤炉里的总体能量有所贡献。普朗克在计算能量的方程式中增加了一个调节参数，从而能准确地预言任何温度下测量烤炉的能量，这个参数被我们称之为：普朗克常数，大约是平常单位的千亿亿亿分之一。普朗克常数非常小，说明每个能量包的尺度也非常小，按照普朗克的观点，波的能量实际上是一点点传播的，但是那个小点太小了，以至于我们看起来是连续不断的。
爱因斯坦认为一束光其实可以认为是一股光粒子流，化学家刘易斯将这个粒子流称之为：光子。根据光的粒子观，一只普通的100瓦的灯泡每秒钟大概会发出1万亿亿亿多个光子，爱因斯坦用这个新概念提出了光电效应背后的微观机制。他指出：当一个电子被足够能量的一个光子击中时，它会从金属的表面逃逸出来。那么是什么决定每个光子的能量呢？爱因斯坦根据普朗克的引导，提出了每个光子的能量正比于光波的频率。因此爱因斯坦证明了，普朗克的能量包的猜想实际上反映了电磁波的一个基本特性：电磁波由粒子即光子组成，是一束光的量子。这是一个巨大的发现。
现在我们知道水是由大量的水分子组成的，光波是由大量粒子（光子）组成。爱因斯坦通过一系列实验证明，光同时具有粒子性，也具有波动性，也就是说，刚即是粒子也是波。这就是我们说的光的“波粒二象性”。1923年，法国物理学家德布洛意提出了波粒二象性不仅是光具有，也适用于其他物质。1927年，量子力学发展得到了主流科学界的认可，宇宙不再是一个精确的模型，按照量子力学的观点，宇宙也遵照严格准确的数学形式演化，不过那些形式所决定的只是未来发生的几率，不是不一定性。
换句话说，量子力学给宇宙发展带来了不确定性，打破了广义相对论的宇宙确定性和规律性的认知。当然爱因斯坦是反对的，便了那句名言：上帝不会跟宇宙玩骰子。
就像爱因斯坦一样，物理学家对量子力学理论一直还存在争议。物理学家理查德·费曼是继爱因斯坦以来最伟大的物理学家之一，他完全接受了量子力学的核心理论。在1927年，物理学家海森堡发现了量子力学的另外一个核心特征：不确定性。随时不断有物理学家加入量子力学的阵营，量子力学也更多地被物理学家所接受。
渴望新理论：广义相对论与量子力学
过去100年，广义相对论和量子力学让我们探索宇宙的尺度从最大一直到最小。人类取得了非常多了不起的成就。但是我们也意识到，量子力学和广义相对论没能达到最深层次的认识。因为它们的适用范围是不同的，在一些情况下还有冲突，比如在讨论黑洞的中心、在大爆炸时刻的宇宙等方面这两套理论存在对立矛盾面。
爱因斯坦的能量方程式告诉我们，能量和物质是可以相互转化，量子力学中，海森堡的不确定性告诉我们，能量和动量在微观世界中疯狂涨落，宇宙在微观尺度上类似一个闹哄哄、混沌、疯狂的世界。但是动量和能量在微观世界中可以相互抵消，因此在宏观世界看来，一切都是宁静和太平的。
简而言之，微观世界的混沌状态和宏观世界的规律性就是这两个理论最大的矛盾点。
广义相对论适用于巨大的天文学尺度。在那样的距离，爱因斯坦的理论说明，没有物质意味着空间是平直的，像图3.3画的那样。为了把广义相对论与量子力学融合起来，我们现在必须转移关注的焦点，去考察空间的微观性质。如图所示。我们说明了如何一点点去暴露越来越小的空间结构。开始的时候，看不出什么来；看图中底下的三层，空间结构几乎是一样的形态。从纯经典的立场看，我们以为这样平直稳定的空间图景会一直保持到任意的距离尺度。但量子力学完全改变了这种想法。万物都摆脱不了不确定性原理所规定的量子涨落——引力场也不例外。虽然经典理论认为虚空间没有引力场，但量子力学证明，引力场尽管在平均意义上等于零，实际上却因量子涨落而波荡起伏。另外，不确定性原理还告诉我们，关注的空间越小，看到的引力场起伏越大。量子力学展现了一个没有绝望的世界，越是狭小的地方，越是浪花飞溅。
引力场通过空间的弯曲表现出来，而量子涨落通过空间周围越来越强烈的扭曲表现自己。物理学家惠勒发明用“量子泡沫”来描述超微的空间和时间里表现出来的混沌状态，在那个尺度上，空间和时间都失去了意义。在这个尺度上，正是量子力学和广义相对论不相容的地方。
弦理论的基础
1984年，格林和施瓦兹提出了弦理论，这个革命性的理论修正了我们对宇宙超微观性质的理论描述，随着一批批物理学家的前埔后续，使得该理论和爱因斯坦的相对论和量子力学相容了。弦理论的出现并不是一帆风顺的，它经历了两次作者称之为“超弦革命”。
第一次是发生在1984年到1986年，是“第一次超弦革命”，在那3年里，全世界的物理学家们为超弦理论写了近一千多篇研究论文。弦理论被誉为当地最伟大的理论之一，但此后又经历了一系列质疑和低谷。
第二次是1995年，惠藤在南加利福利亚一次物理学大会上发表演讲，提出了一套新的方法，有望克服以前所遇到的理论障碍，全世界的超弦理论家们又一次看到了希望的曙光，我们称之为“第二次超弦革命”。
弦理论有几个基本理论：
1：宇宙的基本构成要素不是点粒子，而是像细橡皮筋的上下振动着的唯一丝线，各种不同的粒子只是这个线圈的不同振动模式。
2：宇宙中所有的物质和里都来自于这种振动的线圈，我们称之为：弦，它非常非常的小，平均大约是普朗克长度的尺寸，大小是原子核的一万亿亿分之一（小数点后19个零）。
3：弦是构成宇宙万物真正的“原子”，可以称之为“基元”，比它再小的物质已经没有什么意义。
弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象：当我们用力拨动琴弦时，振 动会很剧烈；轻轻拨动它时，振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理，能量和质量像一枚硬币的两面，是同一事物的不同表现：大能量意味着大质量，小能量意 味着小质量。因此，振动较剧烈的粒子质量较大，反之，振动较轻柔的粒子则质量较小。
依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成，而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。
在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性。现在我们明白了，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。
物理学家还发现，弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间，一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。 这里又涉及到了四种基本力。
宇宙中存在着各种类型的力，是它们把散沙般的基本粒子结合在一起，组成了各种各样的物质，并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间就存在引力，物体的质量越大，引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的，一个 粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷，则不受电磁力的影响，不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克 结合在一起的力，所以也叫核力。像电磁力一样，也起源于电荷，不过只是夸克间的电荷，物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推 和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。
四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说，假定以电磁力的强度为一个单位强度，则强力要比这个单位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到几乎是可以忽略不计的：在微观世界中，它只有电磁力的1040分之一！从作用范围上来说，引力的作用范围是宇宙范围的；电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远，但实际上，大多数物体正负电荷相互抵消，其外部都呈电中性；而强力和弱力的作用范围则极小，只能在粒子范围内发生作用。
这四种强弱悬殊、性质各异的基本力，完全控制了我们的宇宙。
超弦的“超”
物理定律的对称性
从138亿年前的宇宙大爆炸开始，我们的就时刻在变，可以说是瞬息万变，而我们假定主宰这些变化的定律是固定不变的，即使这些定律在变，也应该是非常缓慢的。物理学家们将这种物理定律不随时间和空间的变化的性质称之为自然的对称性。就像引力、电磁力、强力和弱力在不同的尺度上都应该具有一样的规律一样。
自旋
基本的粒子（如电子）能像地球围绕太阳旋转一样围绕着原子核旋转。但电子并没有表现出类似地球自转一样的规律。但是100年前法国人安培证明了磁性来自电荷的运动。后来物理学家们证明了电子既像地球一样公转，也会像地球一样自转，而且不仅在电子身上表现出这样的特性，在其他三族物质粒子中也表现出类似的特性。也就是在宏观的世界中，和围观的世界中，我们观察到的规律是一致的。
在弦理论的背景下，自旋与质量和力荷一样，也关联着弦的振动模式。而且在所有弦振动模式中，一种没有质量的2-自旋，正是引力的标志性特性。哪里出现了引力子，哪里就有引力。这也证明了弦具有引力的特性。
超对称性
1973年，物理学家韦斯和朱米诺发现超对称性，从新构造的弦理论中出现的那种新的对称性，也能用于以点粒子为基础的理论。这是一个重要的发现，把超对称性引入到点粒子的量子场论框架中。随着80年代中叶超弦理论的复苏，超对称性又在原理发现它的背景下出现了。超对称性的出现，让我们解决了包括费米子振动模式问题，也实现了引力的量子理论，超对称性与弦理论的融合，从而实现了四种自然基本力在弦理论中的大统一。
1985年，弦理论引发了大量物理学家的热情，有人发现超对称性其实可以通过5中不同的方式进入弦理论。每种方式都能生成成对的玻色子和费米子振动模式，但这些粒子对的具体性质和理论有很多巨大差异。但是一个大统一的理论有五种不同的形式，这给物理学家带了新一轮的问题。
看不见的维
弦理论解决了百年科学家的一个重大的矛盾，也就是量子力学和广义相对论的矛盾。但是它也彻底动摇了物理学的基础，甚至是宇宙的维度。
爱因斯坦认为宇宙是由时间和空间的思维构成的。为了确定宇宙中的一件事情，我们应该确定它是什么时间，在什么三维空间的地方发生的。这是宇宙基本特性。然而1919年，一位波兰的数学家卡鲁扎向爱因斯坦写了一封信，向这一基础理论提出了挑战，认为宇宙可能不是四维的。超过思维的空间完全超出了我们的想象。它是如何解释的？
想象一根几百英尺长的水管横过一道峡谷，从几百米外看，就像下图1中的样子。在这么远的距离上，你很容易看到水管是一根长长的展开的线，如果没有特别好的视力，你很难判断它有多粗。从远处看，如果一只蚂蚁在水管上，你想它只能在一个方向，即顺着水管方向爬行。谁问你某一时刻蚂蚁的位置，你只需要告诉他一个数：蚂蚁离水管左端（或右端）的距离。这个例子的要点是，从几百米以外看，长长的一根水管就像是一维的东西。
实际上我们知道水管是有粗细的。从几百米以外你可能不容易看清，但拿一只双筒望远镜，你可以看得很真切，原来水管是图2的样子。在望远镜的镜头里，你还看到有只蚂蚁爬在管子上，能朝两个方向爬行。它可以顺着管子，左右爬行，这一点我们已经知道了；它还可以绕着管子，沿顺时针或反时针方向爬行。现在你明白，为确定某一时刻小蚂蚁在哪儿，你必须告诉两个数：它在管子的什么长度以及它在管圈的什么地方。这说明水管的表面是二维的。
从远处看，花园的浇水管就像是一维的。走近来看，水管的第二维就显现出来了——管壁上环绕管道的那一维。
不过，那两维却有很明显的不同。沿着管子伸展方向的一维很长，容易看到，绕着管子的那一圈很短，“卷缩起来了”，不容易发现。为看清圆圈的那一维，你得用更高的精度来看这根管子。
这个例子强调了空间维的一点微妙而重要的特征：空间维有两种。它可能很大，延伸远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来。当然，在这个例子里你用不着费多大力气就能把“卷缩起来的”绕管子的小圆圈儿揭露出来，那只需要一副望远镜就行了。不过，假如管子很细——像一根头发丝儿或毛细管——要看清那卷缩的维就不那么容易了。
后来1926年，数学家克莱因把它说的更清晰和具体，他认为：我们的宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷曲的维。也就是说，我们的宇宙有像水管在水平方向上延伸的、大的、容易看到的的维度，也有像水管横向的圆圈那样的卷曲的维度，这些维度非常小，以至于我们很难观察到。结合当时最新的量子理论，他们认为，这些卷曲的维度的大小可能小到普朗克长度，是实验远远不能达到的。此后，物理学家把这种可能存在的额外小空间维的思想称之为：卡鲁扎-克莱茵理论。
同时，卡鲁扎的猜想最大的惊喜并不是宇宙的多维度可能，而是根据他的理论，将引力和电磁力这两种毫不相关的力联系起来了。他的理论指出，两种力都伴随着空间结构的波动，引力在我们熟悉的3维空间中波动，而电磁力则在新的卷曲空间中荡漾。在很长一段时间，爱因斯坦和物理学家都认可了这种猜想，但后来，克莱茵发现它与实验结果有很大的矛盾，例如把电子纳入理论所预言的质量与电荷的关系，大大偏离了观察的数值。因此，在此后很长一段时间，宇宙多维理论变成了一个边缘理论。
多年以后，物理学家们发现将多维理论和引力和超对称性结合起来，提出了高维超引力，从而将量子力学和广义相对论融合起来，缓和了它们之间的矛盾。但是物理学家们还是觉得缺少了一个基本的线索将它们缝合在一起，1984年，这个线索出现了。那就是：弦。
90年代中期，惠藤根据他本人和一些物理学家的结果，提出了一个惊人的理论：弦理论实际上需要十一维度，也就是十维度的空间加上一维度的时间，关于这个结论，我们在稍后会详细阐述原因。根据宇宙大爆炸理论，我们可以想象，在大爆炸一开始，三维的空间和一维的时间被展开，一直膨胀到我们今天的尺度，但是其余的空间维度仍然卷缩在一个非常小的尺度中没有展开。
也有一些物理学家提出，有10维的空间维度，是否存在更多维度的时间呢？这是一个大胆的假设。未来也许有新的理论诞生，时间维度将在其中扮演更多有趣的角色。
量子几何
19世纪德国著名物理学家和数学家黎曼的数学发现，描述了任意维弯曲空间的几何方法，是广义相对论的数学灵魂。广义相对论断言宇宙的弯曲性质就是由黎曼的几何描述的。但是按照量子力学，认为这样的几何方法只能描述大尺度上的宇宙，在普朗克长度下宇宙，应该是一种新的几何方法才能适用。而这种几何框架就是我今天要讲的：量子几何。
与黎曼几何不同，现在的弦理论还找到不到与之对应的几何方法，因为在宇宙物理学中，我们依然把星系当作一个个点，因为他们的大小与整个宇宙比起来是小的可怜的。因此黎曼的几何学在大尺度的宇宙上适用的。但是在弦理论下，宇宙是由一根根弦（线圈）而不是点构成的，因此在这个微观尺度上，黎曼的几何学就不适用的了。
当地物理学普遍的认可，宇宙始于150亿年前的一次爆炸，但是当前的宇宙是还在不断膨胀还是收缩呢？这是一个让物理学家迷惑的问题。因此他们将宇宙的密度作为一个衡量的标准，如果宇宙的平均密度超过每立方厘米十万亿亿亿分之一克的临界密度（相当于宇宙中每立方米中有5个氢原子），那么就有足够大的引力将穿透宇宙，将宇宙从膨胀中拉回来，也就是，只要超过这个密度，宇宙就会开始收缩。如果密度小于这个密度，宇宙引力就会很弱，宇宙就将永远膨胀下去。