。在弦理論中是同名物,是一維的延展的物體。它們隻有長度。在弦理論中弦在時空背景中運動。弦上的漣漪被解釋為粒子。
如果弦除了他們通常數的維外,還有格拉斯曼維,漣漪就對應於玻色子和費米子。在這種情形下,正的和負的基態能就會準確對消到甚至連更小種類的無窮大都不存在。人們宣布超弦是TOE,也就是萬物的理論。
未來的科學史家將會發現,去描繪理論物理學家中的思潮的起伏是很有趣的事。在好些年裏,弦理論甚至高無上,而超引力隻能作為在低能下有效的近似理論而受到輕視。限定詞“低能”尤其晦氣,盡管此處低能是指其能量比在TNT爆炸中粒子能量的一百億億倍更低的粒子。如果超引力僅僅是低能近似,它就不能被宣稱為宇宙的基本理論。相反地,五種可能的超弦理論中的一種被認為是基本理論。但是物種弦理論中的哪一種是我們的宇宙呢?還有,在超出弦被描繪成具有一個時空維和一個時間維的通過平坦時空背景運動的麵的近似時,弦理論應如何表述呢?難道弦不使背景時空彎曲嗎?
1985年後,弦理論不是完整的圖象這一點逐漸清晰了。一開始,人們意識到,弦隻不過是延展成多於一維的物體的廣泛族類中的一員。包羅湯森,他正如我一樣是劍橋的應用數學和理論物理係的成員,他關於這些東西做了許多研究,將這些東西命名為“P-膜”。一個P-膜在P個方向上有長度。這樣P=1就是弦膜,P=2的膜是麵或者薄膜,等等。似乎就是沒有理由對P=1的的弦的情形比其他可能的P值更寵愛。相反地,我們應采用P-膜的解。十維或者十一維聽起來不太像我們體驗的時空。人們的觀念是,其餘的六維或七維被彎卷成這麼小,小到我們察覺不到;我們隻知悉剩下的四維宏觀的幾乎平坦的維。
我應該說,對於相信而外的維,我本人一直猶豫不決。但是,對於我這樣的一名實證主義者,“額外維的雀存在嗎?”的問題是沒有意義的。人們最多隻能問:具有額外維的數學模型能很好地描述宇宙嗎?我們還沒有任何不用額外維便無法解釋的觀測。然而,我們在日內瓦的大型強子碰撞機存在觀察到它們的可能性。但是,使包括我在內的許多人信服的,必須認真地接受具有額外維的模型的理由是,在這些模型之間存在一種所謂對偶性的意外的關係之網。這些對偶性顯示,所有這些模型在本質上都是等效的;也就是說,它們隻不過是同一基本理論的不同方麵,這個基礎理論被叫做M-理論。懷疑這些對偶性之網是我們在正確軌道上的征兆,有點象相信上帝把化石放在岩石中去是為了誤導達爾文去提出生命演化的理論。
這些對偶性表明,所有五種超弦理論都描述同樣的物理,而且它們在物理上也和超引力等效。人們不能講超弦比超引力更基本,反之亦然。人們寧願說,它們是同一基本理論的不同表達,對在不同情形下的計算各有用處。因為弦理論沒有任何無窮大,所以用來計算一些高能離子碰撞以及散射事件很方便。然而,在描述非常大量數目的粒子的能量如何彎曲宇宙或者形成束縛態,譬如黑洞時沒有多大用處。對於這些情形,人們需要超導力。超引力基本上是愛因斯坦的彎曲的時空的理論加上一些額外種類的物質。這正是我們以下主要使用的圖象。
為了描述量子理論如何賦形於時間和空間,引進虛時間的觀念是有助益的。虛時間聽起來有點科學幻想,但其實很好定義的數學概念:它是用所謂的虛數量度的時間。人們可以將諸如1,2,-3,5等等通常的實數相成對於從左至右伸展的一根線上的位置:零在正當中,實正數在右邊,而負實數在左邊。
敘述對應於一根垂直線上的位置:零又是在中點,正虛數畫在上頭,而負虛數畫在下麵。這樣虛數可被認為與通常的實數夾直角的新行的數。因為它們是一種數學的構造物,不需要實體的實現;人們不能有虛數個橘子或者虛數的信用卡帳單。
人們也許認為,這意味著虛數隻不過是一種數學遊戲,也現實世界毫不相幹。然而從實證主義哲學觀點看,人們不能確定任何為真實。人們所能做的隻不過是去找哪種數學模型描述我們生活其中的宇宙。人們發現牽涉到虛時間的一種數學模型不僅預言了我們已經觀測到的效應,而且預言了我們尚未能觀測到,但是因為其他原因仍然堅信的效應。那麼何為實何為虛呢?這個差異是否僅存在於我們的頭腦之中呢?
愛因斯坦經典廣義相對論把實時間和三維時空合並為四維時空。但是實時間方向和三個空間反向可被識別開來;一位觀察者的世界線或曆史總是在實時間方向增加,但是它在三維空間的任何方向上可以增加或者減小。換言之,人們可以在空間中而非時間中顛倒方向。
另一方麵,因為虛時間和實時間夾一直角,它的行為猶如空間的第四個方向。因此,它比通常的實時間的鐵軌具有更豐富多彩的可能性。鐵軌隻可能有開端或者終結或者圍著圓圈。正是在這個虛的意義上,時間具有形態。
為了領略一些可能性,考慮一個虛時間的時空,那是一個像地球表麵的球麵。假定虛時間的緯度,那麼宇宙在虛時間的曆史就是南極啟始。這樣,“在開端之前發生了什麼?”的詰問就變得毫無意義,恰如不存在比南極更南的點一樣。南極是地球表麵上完全規則的點,相同的定律在那裏正如在其他點一樣成立。這暗示著,宇宙在虛時間中的開端可以是時空規定的點,而且相同的定律在開端處正如在宇宙的其他地方一樣成立。