從古至今，人類從未停止追問“空間是什么”和“時(shí)間是什么”。我們早已習(xí)慣了空間和時(shí)間的存在，將其視為日常生活的前提。但是，只要靜下心來重新思考它們是什么，就會發(fā)現(xiàn)這是十分深奧的問題。我們目前感知到的空間為具有長、寬、高三個度量的三維空間，感知到的時(shí)間為從過去到未來的單向流動�？墒请S著科學(xué)的發(fā)展，關(guān)于空間和時(shí)間的觀點(diǎn)卻在發(fā)生著巨大的變化。
　　物質(zhì)是否獨(dú)立于空間與時(shí)間？人類從古希臘時(shí)代開始就一直積極探索這一問題。公元前4世紀(jì)的哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，自然界不存在純粹的“真空”，他認(rèn)為“自然界厭惡真空”。無論空間還是時(shí)間都是伴隨著物質(zhì)及物質(zhì)的運(yùn)動而定義的，也就是說物質(zhì)不獨(dú)立于時(shí)空而存在。
　　此后，亞里士多德提出的這一時(shí)空概念在歐洲統(tǒng)治了兩千多年。
　　但是到了17世紀(jì)，艾薩克·牛頓掀起了時(shí)空概念最初的革命。牛頓為了完成力學(xué)理論，他引入了從物質(zhì)獨(dú)立出來的“絕對空間”和“絕對時(shí)間”的概念�？臻g是自然現(xiàn)象的容器，是獨(dú)立存在的。時(shí)間在宇宙的任何角落都是一樣的。這種觀點(diǎn)與我們普通人對空間和時(shí)間的感覺很相近。牛頓的力學(xué)對低速運(yùn)動的描述非常成功，構(gòu)成了現(xiàn)代社會的科學(xué)基礎(chǔ)，其“絕對空間”和“絕對時(shí)間”的觀念因此為一般大眾所接受。
　　不過，進(jìn)入20世紀(jì)后，出現(xiàn)了關(guān)于時(shí)空概念的第二次革命。阿爾伯特·愛因斯坦推翻了牛頓的空間和時(shí)間絕對不變學(xué)說。
　　愛因斯坦在1905年發(fā)表了狹義相對論，認(rèn)為空間和時(shí)間會因觀測者的速度而伸縮；并于1916年發(fā)表了廣義相對論，認(rèn)為空間和時(shí)間的伸縮可以揭示物質(zhì)之間的引力。空間和時(shí)間不僅僅是物理現(xiàn)象的容器，還與其中的引力有著密切的關(guān)系，在引力的作用下會產(chǎn)生伸縮變化。
　　也許我們對時(shí)空的伸縮一無所知。但是，愛因斯坦的理論與我們的日常生活是緊密相連的。例如智能手機(jī)和汽車導(dǎo)航使用的GPS（全球定位系統(tǒng)）定位，必須把廣義相對論和狹義相對論中提到的時(shí)間伸縮計(jì)算進(jìn)去才能精準(zhǔn)定位。
　　然而，故事并沒有在愛因斯坦這里結(jié)束，現(xiàn)在正要興起時(shí)空概念的第三次革命。這是一種出人意料的說法，即空間只不過是一種呈展，即衍生的概念。①
　　雖然愛因斯坦主張?jiān)谝�力的作用下空間和時(shí)間是伸縮的，但是他并不懷疑作為自然現(xiàn)象框架的空間和時(shí)間的存在。不過隨著后來物理學(xué)的發(fā)展，這種觀點(diǎn)發(fā)生了改變。
　　大約在愛因斯坦發(fā)表引力理論（廣義相對論）10年后，微觀世界的法則——量子力學(xué)得以確立。于是我們發(fā)現(xiàn)，引力理論與量子力學(xué)之間存在嚴(yán)重的矛盾。攻克這一矛盾并建立統(tǒng)一兩者的理論，成了現(xiàn)代物理學(xué)的重大課題。
　　本書所講述的超弦理論就是解決這一課題的相關(guān)理論。這個理論認(rèn)為，物質(zhì)不是由粒子組成的，而是類似于線狀的“弦”。雖然這一關(guān)于物質(zhì)組成的超弦理論還未得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，但是它是能夠解決引力理論和量子力學(xué)之間矛盾并將二者統(tǒng)一的理論，是描述基本粒子的終極統(tǒng)一理論中的最有力備選理論，非常值得我們期待。
　　超弦理論既是關(guān)于物質(zhì)的理論，又是關(guān)于空間和時(shí)間的理論。超弦理論的研究中發(fā)現(xiàn)了令人震驚的現(xiàn)象，那就是空間的維度變化。我們所熟知的三維空間會變成四維或二維空間。另外，根據(jù)不同的觀測方式，在三維空間出現(xiàn)的現(xiàn)象也同樣會出現(xiàn)在九維空間。
　�、� 指空間在基本規(guī)律作用下的體系形成新的層次而呈現(xiàn)出的一種特性。呈展論（emergence），認(rèn)為物質(zhì)結(jié)構(gòu)是分層次的，每個層次都會展現(xiàn)全新的性質(zhì)，這些性質(zhì)已超出了基本規(guī)律如基本粒子物理領(lǐng)域，可以被稱作層展性質(zhì)，與其相關(guān)的現(xiàn)象就是層展現(xiàn)象。
　　下面舉個例子來說明。日常的生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，冰是堅(jiān)硬的，是由形態(tài)自由的水凝固而成的。但是在微觀世界里，它們的特性差異是用分子的結(jié)合方式來解釋的。分子本身并不具備冰的特性和水的特性，單獨(dú)看每個分子，冰和水就沒有區(qū)別了。數(shù)量龐大的分子聚集的時(shí)候，由于聚集方式不同，冰和水才具備了各自不同的特性。
　　另外，如同冰和水的區(qū)別那樣，“溫度”也是一個次生性概念。我們?nèi)粘Ｉ�活中感知的冷暖是用“溫度”這個標(biāo)準(zhǔn)來衡量的。但是在微觀世界里，各個分子自身不具備溫度特性，溫度只不過是分子平均能量的表現(xiàn)。從分子的層面上講，溫度這一概念也是不存在的。那么或許可以說，溫度是我們從微觀世界層面中產(chǎn)生的呈展效應(yīng)。②
　　超弦理論就是以空間維度為對象，進(jìn)行了與上述例子類似的思考與研究。例如空間的維度變化、觀測方式差異下不同維度空間中出現(xiàn)的相同現(xiàn)象，我們也并不能確定這些是否是空間這一概念的本質(zhì)�；蛟S就像溫度只不過是分子運(yùn)動的表現(xiàn)那樣，“空間”也是某種更加本原東西所表現(xiàn)出的次生概念，也就是說“空間”也只是我們在本原層面中的呈展結(jié)果。超弦理論中就是這么講的。
　　② 簡單說即是宏觀層面上對微觀現(xiàn)象的一種等效描述，或者說是對其更本原的規(guī)律在宏觀層面上的一種刻畫。
　　這么一說，你可能會想：怎么盡是些打破常規(guī)的言論。但是，物理學(xué)家可不是喜歡打破常規(guī)的人。相反，他們非常保守。例如，他們會執(zhí)著于已經(jīng)確立的理論，不會輕易摒棄，直到山窮水盡，無路可走。當(dāng)然，如果愛因斯坦的理論能夠不改變，那是最好了。所以打破常規(guī)的言論與物理學(xué)家的精神追求是不相容的。我們物理學(xué)家早上去大學(xué)上班時(shí)，可不是突發(fā)奇想“好，今天就掀起時(shí)空概念的革命吧”，繼而開始搞起研究的。我們平常思考的是關(guān)于各個物理現(xiàn)象的具體研究課題。
　　不過，對于研究最尖端的基本粒子物理學(xué)來說，引力理論和量子力學(xué)都很重要。因此，我們正在探求一種能夠消除引力理論和量子力學(xué)之間的矛盾，并能將二者有機(jī)結(jié)合的新理論。各種應(yīng)運(yùn)而生的理論相繼被推翻，最后剩下了以“弦”為物質(zhì)基礎(chǔ)的超弦理論。
　　另外，在該理論的數(shù)學(xué)邏輯確認(rèn)研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)了空間的維度變化這一驚人的現(xiàn)象。也就是說，對自然本質(zhì)的科學(xué)探求，引領(lǐng)我們不得不重新思考“空間是什么”。我撰寫本書的目的就是想讓大家也能夠理解這一點(diǎn)。
　　關(guān)于本書的閱讀方法，下面贅述幾點(diǎn)個人建議。
　　我在撰寫這本書時(shí)，使用了最低限度的相關(guān)專業(yè)背景知識，來介紹超弦理論的最新研究成果。不過，為闡述后面內(nèi)容做準(zhǔn)備，第一章和第二章將先講解一些關(guān)于量子力學(xué)和基本粒子論的基礎(chǔ)知識。
　　如果有的讀者想盡早閱讀超弦理論部分，或者感到這兩章讀起來有困難，不妨先閱讀第三章，真正介紹超弦理論是從第三章開始的。掌握了該理論的全貌后，如果還想深入了解的話，可以再回過頭來閱讀前面的章節(jié)。
　　第三章介紹了超弦理論體系下作為物質(zhì)基礎(chǔ)的基本粒子和粒子之間的作用力。另外還解釋了“弦理論”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺�弦理論”的原因，并詳�?xì)講解了兩者的差異以及發(fā)展過程。
　　第四章闡明了超弦理論中關(guān)于“空間的維度限定”之理由。超弦理論的一大特征是，空間的維度是確定的。本書嘗試對其中的原因進(jìn)行解釋說明。不過，剛開始閱讀的時(shí)候不要覺得太難，即使以“在超弦理論中維度是確定的”為前提輕松地閱讀，也不會為后面內(nèi)容的理解設(shè)置障礙。
　　第五章的內(nèi)容脫離了超弦理論的主線，介紹了引力和電磁力等自然界中所有力的統(tǒng)一原理。這個原理叫作“規(guī)范場論”。關(guān)于基本①粒子的基本理論（標(biāo)準(zhǔn)模型）和之后登場的超弦理論都涉及了這個原理，所以本書盡量簡單又準(zhǔn)確地解釋了“規(guī)范場論”。不過，如果覺得概念過于抽象，難于理解，只要記住“規(guī)范對稱性”這個詞語后，接著讀下一章就可以了。在后面的內(nèi)容中會再次遇到“規(guī)范對稱性”這個詞時(shí)，若想對其深入了解，可返回第五章閱讀。
　　從第六章開始，超弦理論終于成為了主角。
　　第六章講述的是“第一次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論在基本粒子理論的世界里一舉成名。第八章講述的是“第二次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論飛躍到了一個新的高度。這兩次“事件”介紹了超弦理論研究中的戲劇性的進(jìn)展與突破。另外，夾在這兩章之間的第七章，記述了我自己迷上超弦理論和投身該理論研究的原委。
　　第九章提出了空間是“呈展”的觀點(diǎn)。通過超弦理論的研究，我的世界觀被徹底顛覆了。我也想讓大家擁有這樣的體驗(yàn)，這就是我撰寫本書的動機(jī)所在。
　　如果空間是呈展的話，那么時(shí)間是否也是呈展的？大家也都很關(guān)心這個問題吧？過去和未來，它們真的有什么區(qū)別嗎？時(shí)間到底是什么呢？最后的第十章是關(guān)于時(shí)間的思考。
　　每章的開頭會引用與本章話題相關(guān)的文學(xué)作品或歷史文獻(xiàn)做簡單引導(dǎo)。另外，每章結(jié)尾的小專欄可以讓讀者放松休息。單獨(dú)閱讀這些內(nèi)容亦是閱讀本書的樂趣所在。
　　拙作《引力是什么》和《強(qiáng)力與弱力》中的插圖基本上都是我自己畫的。至于本書，插圖雖不是很多，但圖表的數(shù)量不少，所以是委托專業(yè)人員制作的。不過，書中科學(xué)家們的肖像畫與前兩本書一樣，都是我自己畫的。因?yàn)槲矣X得我了解他們的研究內(nèi)容，可以在畫中更多地表現(xiàn)其內(nèi)涵。
　　大家可以根據(jù)自己的習(xí)慣，用不同的閱讀方法來體會本書的樂趣。
　　接下來，就讓我為大家解釋一下物理學(xué)家認(rèn)為“空間是呈展”的理由吧。