“空间”和“时间”究竟是什么？
物质的本原不是点，而是弦？
黑洞、高维度空间应该如何解释？
“超弦理论”是继牛顿力学、爱因斯坦相对论之后，时空概念的“第三次革命”。“超弦理论”统一了引力理论与量子力学的矛盾，超越了“弦理论”的局限，解释“标准模型”中“费米子”与包括“上帝粒子”的“玻色子”的振动形态。本书中，大栗教授以通俗、风趣的语言讲解了量子物理基础、“弦理论”到“超弦理论”的最新发展、“超弦理论”的理论原理及证明，并在“超弦理论”下重新思考与探究了时空概念。
加州理工学院理论物理研究所所长、东京大学Kavli数学物理联合宇宙研究机构研究主任 大栗博司 教授 科普力作
时空概念的第三次革命
现代物理学的前沿课题
黑洞、高维空间的机制解答
启发对宇宙的极致思考 颠覆对世界的传统认知
2014年日本讲谈社科学出版奖 获奖图书
卢建新_中国科学技术大学教授 / 李淼_中山大学教授 / 朱传界_人民大学教授 推荐
从古至今，人类从未停止追问“空间是什么”和“时间是什么”。我们早已习惯了空间和时间的存在，将其视为日常生活的前提。但是，只要静下心来重新思考它们是什么，就会发现这是十分深奥的问题。我们目前感知到的空间为具有长、宽、高三个度量的三维空间，感知到的时间为从过去到未来的单向流动。可是随着科学的发展，关于空间和时间的观点却在发生着巨大的变化。
物质是否独立于空间与时间？人类从古希腊时代开始就一直积极探索这一问题。公元前4世纪的哲学家亚里士多德认为，自然界不存在纯粹的“真空”，他认为“自然界厌恶真空”。无论空间还是时间都是伴随着物质及物质的运动而定义的，也就是说物质不独立于时空而存在。
此后，亚里士多德提出的这一时空概念在欧洲统治了两千多年。
但是到了17世纪，艾萨克·牛顿掀起了时空概念最初的革命。牛顿为了完成力学理论，他引入了从物质独立出来的“绝对空间”和“绝对时间”的概念。空间是自然现象的容器，是独立存在的。时间在宇宙的任何角落都是一样的。这种观点与我们普通人对空间和时间的感觉很相近。牛顿的力学对低速运动的描述非常成功，构成了现代社会的科学基础，其“绝对空间”和“绝对时间”的观念因此为一般大众所接受。
不过，进入20世纪后，出现了关于时空概念的第二次革命。阿尔伯特·爱因斯坦推翻了牛顿的空间和时间绝对不变学说。
爱因斯坦在1905年发表了狭义相对论，认为空间和时间会因观测者的速度而伸缩；并于1916年发表了广义相对论，认为空间和时间的伸缩可以揭示物质之间的引力。空间和时间不仅仅是物理现象的容器，还与其中的引力有着密切的关系，在引力的作用下会产生伸缩变化。
也许我们对时空的伸缩一无所知。但是，爱因斯坦的理论与我们的日常生活是紧密相连的。例如智能手机和汽车导航使用的GPS（全球定位系统）定位，必须把广义相对论和狭义相对论中提到的时间伸缩计算进去才能精准定位。
然而，故事并没有在爱因斯坦这里结束，现在正要兴起时空概念的第三次革命。这是一种出人意料的说法，即空间只不过是一种呈展，即衍生的概念。①
虽然爱因斯坦主张在引力的作用下空间和时间是伸缩的，但是他并不怀疑作为自然现象框架的空间和时间的存在。不过随着后来物理学的发展，这种观点发生了改变。
大约在爱因斯坦发表引力理论（广义相对论）10年后，微观世界的法则——量子力学得以确立。于是我们发现，引力理论与量子力学之间存在严重的矛盾。攻克这一矛盾并建立统一两者的理论，成了现代物理学的重大课题。
本书所讲述的超弦理论就是解决这一课题的相关理论。这个理论认为，物质不是由粒子组成的，而是类似于线状的“弦”。虽然这一关于物质组成的超弦理论还未得到实验的验证，但是它是能够解决引力理论和量子力学之间矛盾并将二者统一的理论，是描述基本粒子的终极统一理论中的最有力备选理论，非常值得我们期待。
超弦理论既是关于物质的理论，又是关于空间和时间的理论。超弦理论的研究中发现了令人震惊的现象，那就是空间的维度变化。我们所熟知的三维空间会变成四维或二维空间。另外，根据不同的观测方式，在三维空间出现的现象也同样会出现在九维空间。
① 指空间在基本规律作用下的体系形成新的层次而呈现出的一种特性。呈展论（emergence），认为物质结构是分层次的，每个层次都会展现全新的性质，这些性质已超出了基本规律如基本粒子物理领域，可以被称作层展性质，与其相关的现象就是层展现象。
下面举个例子来说明。日常的生活经验告诉我们，冰是坚硬的，是由形态自由的水凝固而成的。但是在微观世界里，它们的特性差异是用分子的结合方式来解释的。分子本身并不具备冰的特性和水的特性，单独看每个分子，冰和水就没有区别了。数量庞大的分子聚集的时候，由于聚集方式不同，冰和水才具备了各自不同的特性。
另外，如同冰和水的区别那样，“温度”也是一个次生性概念。我们日常生活中感知的冷暖是用“温度”这个标准来衡量的。但是在微观世界里，各个分子自身不具备温度特性，温度只不过是分子平均能量的表现。从分子的层面上讲，温度这一概念也是不存在的。那么或许可以说，温度是我们从微观世界层面中产生的呈展效应。②
超弦理论就是以空间维度为对象，进行了与上述例子类似的思考与研究。例如空间的维度变化、观测方式差异下不同维度空间中出现的相同现象，我们也并不能确定这些是否是空间这一概念的本质。或许就像温度只不过是分子运动的表现那样，“空间”也是某种更加本原东西所表现出的次生概念，也就是说“空间”也只是我们在本原层面中的呈展结果。超弦理论中就是这么讲的。
② 简单说即是宏观层面上对微观现象的一种等效描述，或者说是对其更本原的规律在宏观层面上的一种刻画。
这么一说，你可能会想：怎么尽是些打破常规的言论。但是，物理学家可不是喜欢打破常规的人。相反，他们非常保守。例如，他们会执着于已经确立的理论，不会轻易摒弃，直到山穷水尽，无路可走。当然，如果爱因斯坦的理论能够不改变，那是最好了。所以打破常规的言论与物理学家的精神追求是不相容的。我们物理学家早上去大学上班时，可不是突发奇想“好，今天就掀起时空概念的革命吧”，继而开始搞起研究的。我们平常思考的是关于各个物理现象的具体研究课题。
不过，对于研究最尖端的基本粒子物理学来说，引力理论和量子力学都很重要。因此，我们正在探求一种能够消除引力理论和量子力学之间的矛盾，并能将二者有机结合的新理论。各种应运而生的理论相继被推翻，最后剩下了以“弦”为物质基础的超弦理论。
另外，在该理论的数学逻辑确认研究过程中，我们发现了空间的维度变化这一惊人的现象。也就是说，对自然本质的科学探求，引领我们不得不重新思考“空间是什么”。我撰写本书的目的就是想让大家也能够理解这一点。
关于本书的阅读方法，下面赘述几点个人建议。
我在撰写这本书时，使用了最低限度的相关专业背景知识，来介绍超弦理论的最新研究成果。不过，为阐述后面内容做准备，第一章和第二章将先讲解一些关于量子力学和基本粒子论的基础知识。
如果有的读者想尽早阅读超弦理论部分，或者感到这两章读起来有困难，不妨先阅读第三章，真正介绍超弦理论是从第三章开始的。掌握了该理论的全貌后，如果还想深入了解的话，可以再回过头来阅读前面的章节。
第三章介绍了超弦理论体系下作为物质基础的基本粒子和粒子之间的作用力。另外还解释了“弦理论”转变为“超弦理论”的原因，并详细讲解了两者的差异以及发展过程。
第四章阐明了超弦理论中关于“空间的维度限定”之理由。超弦理论的一大特征是，空间的维度是确定的。本书尝试对其中的原因进行解释说明。不过，刚开始阅读的时候不要觉得太难，即使以“在超弦理论中维度是确定的”为前提轻松地阅读，也不会为后面内容的理解设置障碍。
第五章的内容脱离了超弦理论的主线，介绍了引力和电磁力等自然界中所有力的统一原理。这个原理叫作“规范场论”。关于基本①粒子的基本理论（标准模型）和之后登场的超弦理论都涉及了这个原理，所以本书尽量简单又准确地解释了“规范场论”。不过，如果觉得概念过于抽象，难于理解，只要记住“规范对称性”这个词语后，接着读下一章就可以了。在后面的内容中会再次遇到“规范对称性”这个词时，若想对其深入了解，可返回第五章阅读。
从第六章开始，超弦理论终于成为了主角。
第六章讲述的是“第一次超弦理论革命”，这次革命使超弦理论在基本粒子理论的世界里一举成名。第八章讲述的是“第二次超弦理论革命”，这次革命使超弦理论飞跃到了一个新的高度。这两次“事件”介绍了超弦理论研究中的戏剧性的进展与突破。另外，夹在这两章之间的第七章，记述了我自己迷上超弦理论和投身该理论研究的原委。
第九章提出了空间是“呈展”的观点。通过超弦理论的研究，我的世界观被彻底颠覆了。我也想让大家拥有这样的体验，这就是我撰写本书的动机所在。
如果空间是呈展的话，那么时间是否也是呈展的？大家也都很关心这个问题吧？过去和未来，它们真的有什么区别吗？时间到底是什么呢？最后的第十章是关于时间的思考。
每章的开头会引用与本章话题相关的文学作品或历史文献做简单引导。另外，每章结尾的小专栏可以让读者放松休息。单独阅读这些内容亦是阅读本书的乐趣所在。
拙作《引力是什么》和《强力与弱力》中的插图基本上都是我自己画的。至于本书，插图虽不是很多，但图表的数量不少，所以是委托专业人员制作的。不过，书中科学家们的肖像画与前两本书一样，都是我自己画的。因为我觉得我了解他们的研究内容，可以在画中更多地表现其内涵。
大家可以根据自己的习惯，用不同的阅读方法来体会本书的乐趣。
接下来，就让我为大家解释一下物理学家认为“空间是呈展”的理由吧。
大栗博司，美国加州理工学院理论物理讲席教授，理论物理研究所所长，日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构（Kavli IPMU）研究主任。东京大学理学博士，发现了量子场论与超弦理论的深层数学构造，其研究曾获得美国数学学会大奖（2008年）、德国洪堡研究奖（2009年）、日本仁科纪念奖(2009年)、日本数学学会詹姆斯?西蒙斯奖（2012年），《超弦理论：探究时间、空间及宇宙的本原》获得2014年第30届日本讲谈社科学出版奖。
前言
第一章 为什么不是“点”？
1、“点”是没有部分的
2、物质是由什么组成的
3、标准模型之问题一：暗物质与暗能量
4、标准模型之问题二：法解释引力
5、解释场力不可思议的“场”
6、点粒子引起的“穷大”问题
7、不放弃“点”的想法
第二章 微观世界的“穷途末路”与“柳暗花明”
1、解决穷大的两种可能
2、光既是“波”又是“粒子”
3、“反粒子”也会引起穷大
4、“重整化”的作用超出了我们的预想
5、“重整化”让“知的分类”变为可能
6、引力为“重整化”关上了一道门
7、黑洞是结构层次的终点
第三章 从“弦理论”到“超弦理论”
1、以根本解决方案为目标的弦理论
2、17种基本粒子都是由一种“弦”组成的
3、“开弦”是意大利干面条，“闭弦”是通心粉
4、为什么弦可以消除穷大
5、光子是“开弦”的振动
6、“闭弦”传递引力
7、弦理论与超弦理论的区别
8、什么是“超空间”
9、什么是“超对称性”
10、我们在超空间里吗？
第四章 为什么是九维空间？
1、为什么这个世界是三维的
2、弦理论适用的空间为二十五维！
3、光子没有质量
4、“量子摇摆的能量”并不为0
5、“光子的质量”之探究方法
6、不可思议的公式推导出二十五维
7、为什么超弦理论的维度是九维
第五章 力的统一原理
1、力有共通的原理
2、电磁场与金融市场相似
3、电场与利率
4、磁场与汇率
5、金融市场中也存在“电磁感应”
6、电磁场中也存在“货币”
7、电磁场的“标尺”是旋转的圆
8、关于“高维度的货币”的杨-米尔斯理论（Yang-Mills theory）
第六章 第一次超弦理论革命
1、被抛弃的超弦理论
2、不破坏宇称对称性的Ⅱ型超弦理论
3、“疾病”缠身的Ⅰ型超弦理论
4、标准模型的异常被抵消
5、“三十二维的旋转对称性”
6、超弦理论与弦理论的“联姻”——杂交弦理论
7、用“卡拉比-丘成桐空间”简化九维
8、“卡拉比-丘成桐空间”的欧拉数决定“世代数”！
9、对人择原理的抵抗
第七章 拓扑弦理论
1、法忘记第一次超弦理论革命给我带来的感动
2、在距离都法测量的空间内能干什么？
3、发现了计算方法
4、拓扑四人组
5、加利福尼亚州的第二次超弦理论革命
第八章 第二次超弦理论革命
1、威腾的不满
2、一种理论的五种化身
3、结合两种Ⅱ型理论的“T对偶性”
4、异端之美——十维的超引力理论
5、从一维的弦到二维的膜
6、可以从十维的理论导出九维的理论吗？
7、“强度”改变维度！
8、“对偶网”与M理论
9、维度是什么？空间是什么？
第九章 空间是幻想
1、出现在十维空间内的五维物体
2、“主角”不再是弦
3、“开弦”缠着D膜
4、弦的复活
5、“开弦”是“黑洞的分子”！
6、视界线是电影的银幕
7、引力的全息术（holography）
8、空间是幻想
9、被证实的预言
10、空间是由什么组成的？
第十章 时间是“幻想”吗
1、空间是什么
2、时间是“幻想”吗
3、为什么时间有“方向”
4、知晓宇宙开始的引力波和中微子
5、继续挑战超弦理论
后记
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