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《宇宙方程》梳理了物理学家发现科学之路，从牛顿的万有引力到麦克斯韦的波动方程，从爱因斯坦的相对论到玻尔的量子论，分析了当下物理学的发展瓶颈，相对论与量子论存在分歧，缺乏一种理论将宇宙的四种基本力完全统一。作者提出了解决问题的革命性理论，“弦理论”可使连续平滑空间与量子涨落空间获得统一，分享了简单、美丽、对称的“弦方程”，“弦理论”的数学表达，爱因斯坦的梦想“理论”或将变为现实。同时，作者提出目前的“弦方程”尚非终形式，物理学家、数学家正在寻找的包含“M-理论”的“弦方程”才是真正的宇宙方程，理论的数学表达。

诺贝尔物理学奖获得者一部分反对、一部分支持，展开了激烈论战，探讨着“弦理论”“宇宙方程”的正确性。反对者提出该理论尚不能被实验检测，支持者提出间接证据、真理的数学表达推进科学发展。作者通过思想实验帮助读者形象地理解物理理论，通过二维平面人故事帮助读者理解高维世界，通过方程推演帮助读者从逻辑层面理解宇宙奥义。

本书由7章组成，第1章，统一——古老的梦想：理论；第2章，爱因斯坦对统一的追求；第3章，量子的崛起；第4章，几乎的理论；第5章，黑色的宇宙；第6章，弦理论的崛起、希望和问题；第7章，寻找宇宙的意义。

目录

000 □理论

000 □1 统一——古老的梦想

000 □2 爱因斯坦对统一的追求

000 □3 量子的崛起

000 □4 几乎的理论

000 □5 黑色的宇宙

000 □6 弦理论的崛起、希望和问题

000 □7 寻找宇宙的意义

000 □注释

加来道雄，美籍日裔物理学家，理论物理学家，弦理论专家，科普畅销书作家，擅长领域：平行宇宙、弦理论、高维物理。他是弦理论创始人之一，著有畅销科普书《平行宇宙》《超空间》《超弦论》《物理学的未来》《心灵的未来》《量子霸权》等。

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1  统一——古老的梦想

当人们凝视夜空的辉煌壮丽，被天空中灿烂的星星包围时，很容易被它纯粹的、令人窒息的威严淹没。而我们的关注转向了一些更神秘的问题：

宇宙有没有宏大的设计？

我们如何理解一个看似毫无意义的宇宙？

我们的存在是有韵律和有道理的，还是毫无意义？

我想起了斯蒂芬·克莱恩（Stephen Crane）的诗：

一个人对宇宙说：“先生，我存在！”

“然而，”宇宙说，“你的存在并没有让我产生责任和义务感。”

希腊人是批认真尝试整理我们周围混乱世界的人。像亚里士多德那样的哲学家认为，一切都可以归结为四种基本成分的混合物：土地、空气、火、水。但是，这四种基本成分是如何产生世界上的丰富多彩和复杂性的呢？

希腊人对这个问题至少给出了两个答案。个是哲学家德谟克利特（Democritus）提出的，甚至在亚里士多德之前。他认为一切都可以被简化为微小的、看不见的、不可摧毁的粒子，他称之为原子(希腊语意为“不可分割”)。然而，批评者指出，原子太小而无法观察，人们不能获得原子的直接证据。尔后，德谟克利特指出了令人信服的间接证据。

例如，想象一枚存放了多年时间的金戒指，戒指由于磨损，一些东西丢失了。每天，戒指上都有一些微小的物质脱落。因此，虽然原子是看不见的，但它们的存在可以间接测量。

即使今天，大多数的先进科学也得益于间接测量，太阳的组成、DNA的结构、宇宙的年龄都是通过间接测量得出。即使我们从未登上过恒星，从未进入过DNA分子，更未目睹过宇宙大爆炸,但我们仍然知道这一切。当我们尝试证明统一场论时，直接证据和间接证据之间的区别将变得至关重要。

第二个答案由伟大的数学家毕达哥拉斯首创。

毕达哥拉斯具有将数学描述应用于音乐等世俗现象的洞察力。据说，他注意到拨弦的声音和敲击金属棒发出的共鸣之间的相似处。他发现它们产生了以一定比率振动的音乐频率。因此，像音乐这样令人愉悦的事物起源于共振的数学。他认为，这可能表明，我们看到的周围物体的多样性必须遵守同样的数学规则。

因此，我们的世界至少有两个伟大的观点来自古希腊：其一，万物是由看不见的、不可摧毁的原子组成；其二，自然界的多样性可以用振动的数学来描述。

不幸的是，随着古典文明的衰落，关于这些观点的讨论和争论的资料没有留存下来。可能存在一个解释宇宙的观点这个概念被遗忘了近一千年。黑暗笼罩着西方世界，科学探究在很大程度上被迷信、魔法和巫术取代。

方宇程宙 文艺复兴时期的重生

17世纪，一些伟大的科学家奋起挑战既定的秩序，研究宇宙的本质，但他们也面临了强烈的反对和迫害。约翰尼斯·开普勒是个将数学应用于行星运动的人，他是鲁道夫二世皇帝的帝国顾问，他在科学工作中并未遭遇迫害。

曾经做过僧侣的乔尔丹诺·布鲁诺（Giordano Bruno）就没那么幸运了。1600年，他因异端学说被审判并被判处死刑。他被塞住嘴，在罗马街头裸体游行，后被烧死在火刑柱上。他的主要罪行是：宣称在环绕其他恒星的行星上可能存在生命。

伟大的伽利略，实验科学之父，几乎遭遇了同样的命运。但与布鲁诺不同的是，伽利略在死亡威胁面前撤回了自己的理论。尽管如此，他用他的望远镜留下了永久的遗产，这也许是所有科学中革命性的发明。用望远镜，你可以亲眼看到月球上坑坑洼洼的表面；金星的相位与其环绕太阳的轨道一致；木星有卫星。当时，所有这些都是异端思想。

可悲的是，他被软禁在家，与来访者隔绝，终失明(据说，这是由于他曾用望远镜直视太阳)，伽利略因绝望与心碎而亡。就在他去世的那年，一个婴儿在英国出生，他将完成伽利略和开普勒未完成的理论，给我们一个统一的天空理论。

方宇程宙 牛顿的力理论

艾萨克·牛顿也许是有史以来伟大的科学家之一。在一个痴迷于巫术和妖术的世界，他敢于写下天空的普遍规律，并应用他发明的新数学来研究力，称为微积分。正如物理学家史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）所写，“艾萨克·牛顿开启了理论的现代梦想。”在当时，它被认为是理论，即描述所有运动的理论。

这一切都始于他23岁那年，剑桥大学因黑死病而关闭。1666年的一天，牛顿在自己的乡间庄园散步，看到一个苹果掉了下来。然后，他问了自己一个问题，从而改变了人类历史的进程。

如果苹果会掉下来，那么，月亮也会掉下来吗？

在牛顿之前，教会说有两种法则：种是在地球上发现的法则，它们受凡人的罪恶腐蚀；第二种是纯粹的、完美的、和谐的天空法则。

牛顿思想的本质是提出一个涵盖天地的统一理论。

在笔记本上，他画了一幅有决定性意义的图画(见图1)。

图1 从山顶发射炮弹。如果一发炮弹从山顶发射，它在落地前会飞出一段距离。如果你以越来越快的速度发射炮弹，它在返回地球之前会飞得越来越远，直到完全环绕地球一圈并回到山顶。他得出结论，支配苹果和炮弹的自然法则（重力）应该同样支配着围绕地球运动的月球。

地球上的物理学和天空中的物理学是一样的。

他实现这一点的方法是引入力的概念。物体移动是因为它们被普遍存在的力拉动或推动，这些力可以精确地用数学方法测量。(很早以前，一些逻辑学家认为，物体是因为欲望而运动，所以物体坠落是因为它渴望与地球结合。)

于是，牛顿引入了统一的关键概念。

但牛顿是一个非常注重隐私的人，他的大部分工作都是保密的。也因为朋友不多、不善交流，牛顿经常沉浸在与其他科学家关于他的发现的优先权的激烈争论之中。

1682年，发生了一件轰动的事件，改变了历史的进程，一颗炽热的彗星掠过伦敦上空。从国王、王后到乞丐，每个人都为这个消息兴奋不已。它从哪里来？它将去哪里？它预示了什么？

对这颗彗星感兴趣的人群中有一个是天文学家奥迈尔·埃德蒙多·哈雷。他去剑桥拜见了艾萨克·牛顿，那时牛顿的光理论已经很有名了。(牛顿让阳光透过玻璃棱镜，显示白光分离成彩虹的所有颜色，证明了白光具有复合颜色。他还发明了一种新型望远镜，使用反射镜而不是透镜。)当哈雷向牛顿询问大家都在谈论的彗星时，他深受震惊。牛顿说自己可以证明彗星绕太阳作椭圆运动，还能用自己的引力理论预测其轨迹。事实上，牛顿用他发明的望远镜在跟踪这颗彗星，这颗彗星的移动就像他预测的那样。

哈雷惊呆了，他立即意识到自己见证了科学的一个里程碑，并愿意支付费用（自掏腰包）以印刷这个终成为所有科学中伟大杰作之一的《自然哲学的数学原理》（简称《原理》）。

同时，哈雷意识到，牛顿能预测彗星会定期返回，计算出1682年的彗星将在1758年返回。事实上，这个预测是准确的，哈雷彗星于1758年圣诞节从欧洲上空飞过，确立了牛顿和哈雷的声誉。

牛顿的运动和引力理论是人类思想的伟大的成就之一，是统一已知运动定律的单一原则。亚历山大·蒲柏（Alexander Pope）写道：

大自然和大自然的法则隐藏在夜晚：

上帝说，让牛顿去发现吧！

于是光明来临。

今天，牛顿定律引导太空探测器穿越太阳系。

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Similarly, the size of a cell in your retina is about the size of the wavelength of colors you can see. Hence we can see only colors whose wavelengths are the size of our cells. All the other colors of the EM spectrum are invisible because they are either too big or too small to be detected by our retinal cells. So if the cells of our eyes were the size of a house, we might be able to see all the radio and microwave radiation swirling around us.

Similarly, if the cells of our eyes were the size of atoms, we might be able to see X-rays.

编辑推荐

弦理论，终极宇宙理论？

弦方程，宇宙方程，理论的数学表达！

弦理论的创始人之一，畅销科普书作家、理论物理学家加来道雄教授为我们权威解读“弦理论”“弦方程”。包含“M-理论”的“弦方程”或为“宇宙方程”的终形式，这项革命性的突破极可能将爱因斯坦的毕生梦想“理论”变为现实。

宇宙方程将所有自然力融合到一个美丽、宏伟的方程式，以解开科学中深奥的谜团：大爆炸之前发生了什么？黑洞的另一边是什么？还有其他的宇宙和维度吗？时间旅行可能吗？我们为什么在这里？

“弦理论”“弦方程”统一理论，诺贝尔物理学奖获得者分列两派展开了激烈论战，这是继爱因斯坦与玻尔的量子论战后的激烈论战——反对者认为弦理论暂不能实验证伪；支持者认为终极方程（宇宙方程）将揭示宇宙之谜，间接证据、真理的数学表达将改变我们对宇宙的理解。

我们的宇宙只是宇宙方程的众多有效解之一，是诸多平行宇宙之一，是一个特殊的不断膨胀着的宇宙，可使智慧生命得以存活。其他气泡宇宙由于自然时间尺度是普朗克时间，只在短暂的时间存在。

我们的宇宙初起源于量子涨落，可能是十维的，但我们的原子太大（平滑空间）而无法进入那些尺寸更小的高维（起伏空间）。我们的宇宙似乎是封闭的，也许终会毁灭。我们的后代也许能用正能量打开虫洞，负能量稳定通道，掌握普朗克能量，带我们穿越时空，逃逸至超空间。

媒体评论

Advance Praise for

THE GOD EQUATION

《宇宙方程》一书的发行评语

这是一本由大师级科学家撰写的优秀作品……加来道雄揭开了弦理论深奥的数学和物理学的神秘面纱。在这本精彩的小书里，他用清晰、简单的术语解释宏大的统一理论，解释令人眼花缭乱的宇宙方程。加来道雄，一个完美的讲故事者，他提供了一个引人入胜的、不加修饰的叙述……他的著作展示了理论物理领域的前沿思想。

——《华尔街日报》（

The Wall Street Journal

）

加来道雄用简洁明了的语言讲述科学……他讲了一个清晰且引人入胜的艰难探索科学奥秘的故事。

——《史密森尼杂志》（

Smithsonian Magazine

）

权威且通俗易懂。

——《自然》（

Nature

）

加来道雄回顾了宇宙的结构，强调了知识巨人以及对理论作持续探索的科学家的贡献……加来道雄研究了这个诱人的理论，概述了它的前景、问题，以及它呈现出的惊人的、不可思议的可能性。加来道雄的新作捕捉了宇宙、地球和人类的神秘之美，吸引任何思考这一切的人。

——《书单》（

Booklist

）

引人入胜……加来道雄擅长将令人费解的概念变得通俗易懂，让人大开眼界。

——《出版商周刊》（

Publisher's Weekly

）

这是专家寻找“物理学圣杯”的描述……有启发性……一项重要的工作。

——《柯克斯评论》（

Kirkus Reviews

）

前言

理论

这将是终的理论，一个单一的框架将把宇宙所有的力统一起来，从宇宙的膨胀运动到亚原子粒子微小的跃迁。面临的挑战是，写出一个数学上的优雅的涵盖整个物理学的方程。

世界上一些杰出的物理学家开始了这一探索。斯蒂芬•霍金甚至作了一个演讲，其乐观的题目为《理论物理的终点在望了吗？》。

如果这样的理论成功了，那将是科学的成就，它将是物理学的圣杯。原则上，人们可以从一个单一的公式推导出所有其他方程，从大爆炸开始到宇宙的尽头。自古人提出“世界是由什么组成？”以来，它将成为两千年科学研究的终成果。

这是一幅激动人心的图景。

方宇程宙 爱因斯坦的梦想

次遇到这个挑战是在我8岁那年。一天，报纸宣布一位伟大的科学家刚刚去世，报纸上的一张照片令我难忘。

那是他桌子的照片，桌面上有一个翻开的笔记本。报纸标题告诉我们，这个时代伟大的科学家无法完成他已经开启的工作。我被迷住了。什么问题会如此困难，以至于伟大的爱因斯坦也不能解决？

笔记本记录了他未能完成的理论，爱因斯坦称其为统一场论。他渴望一个方程，也许不超过一英寸（约2.54厘米）长，用他的话说，可以让他“读懂上帝的心意”。

我没有充分认识到这个问题的艰巨性，决定跟随这位伟人的脚步，希望在完成他的追求中发挥一点作用。

其他许多人尝试过，都失败了。正如普林斯顿物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）曾说的，“通往统一场论的道路上满是失败者的尸体。”

然而，今天，许多领先的物理学家相信，我们终于找到了解答。

在我看来，靠前的候选理论是弦理论。弦理论假设宇宙并非由点粒子组成，而是由微小的振动弦组成，每个音符对应一个亚原子粒子。

如果我们拥有一台足够强大的显微镜，能看到电子、夸克、中微子……它们不过是类似橡皮筋的微小环上的振动。如果我们以不同的方式拉动橡皮筋足够多次，终能创造出宇宙中所有已知的亚原子粒子。这意味着，所有的物理定律都可以归结为这些弦的和声。化学是人们可以演奏的旋律，宇宙是交响乐，爱因斯坦曾雄辩地探讨过的上帝的心意则是在整个时空中产生共鸣的宇宙音乐。

这不仅是一个学术问题。每当科学家发现一种新的力，它都改变了文明的进程，改变了人类的命运。例如，牛顿对运动和重力定律的发现为机器时代和工业革命奠定了基础。迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦对电和磁的解释为我们城市的照明铺平了道路，并给了我们强大的电动机和发电机，以及无线电的即时通信（如电视）。爱因斯坦的质能方程

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解释了恒星的动力，并帮助解放了核力。当埃尔温·薛定谔、沃纳·海森堡和其他人揭开量子理论的秘密时，引发了我们今天的高科技革命，带来了超级计算机、激光、互联网和所有在我们客厅里的神奇小玩意儿。

今天，所有现代技术的奇迹都应归功于逐渐发现世界基本力的科学家。现在，人们正试图将这四种自然力——重力、电磁力、强核力、弱核力——统一成一种理论。终，它也许能回答所有科学中深奥的谜团和问题，例如：

大爆炸之前发生了什么？当初为什么会爆炸？

黑洞的另一边是什么？

时间旅行可能吗？

有虫洞通往其他宇宙吗？

是否存在更高维度？

是否存在平行宇宙？

……

本书即寻找这个理论的探索，以及所有的奇怪的曲折和变化。这些曲折和变化毫无疑问是物理学奇怪的章节之一。我们将回顾所有以前的革命（从牛顿革命到对电磁力的掌握，从相对论和量子理论的发展到今天的弦理论），这些革命带给了我们技术上的奇迹。这里，我将解释弦理论的奥秘。

然而，挑战依然存在；尽管弦理论令人兴奋，但批评家们一直热衷于指出它的缺陷。在一片喧闹和狂热之后，真正的进展仍停滞不前。

突出的问题是，尽管奉承的媒体赞美这个理论的美丽和复杂，但我们尚未找到可靠的、可检验的证据。人们曾经希望位于瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机（LHC，历大的粒子加速器)能找到终理论的具体证据，但结果仍然没有实现。大型强子对撞机能够找到希格斯玻色子(或上帝粒子)，但这个粒子只是理论中很小的一部分。

尽管有人提出了雄心勃勃的建议，希望大型强子对撞机能有一个更强力的后继者，但没人能保证这些昂贵的机器能找到他们所需的东西。没有人确切知道，在什么能量下，我们可以发现新的亚原子粒子以验证这个理论。

对弦理论重要的批评是，它预测了多元宇宙。爱因斯坦曾经说过，关键问题是：上帝在创造宇宙时有选择吗？宇宙是的吗？弦理论本身是的，但它的解可能是无穷的。物理学家称其为景观问题——事实上，我们的宇宙也许只是众多有效解之一。如果我们的宇宙是众多可能性之一，那么，哪一个宇宙是我们的？为什么我们生活在这个特定的宇宙而不是另一个宇宙？那么，弦理论的预测能力是什么？它是无所不能的理论，还是预测任何事物的理论？

我承认在这个探索中有我一份。1968年，我就开始了弦理论的研究，因为它是偶然出现的，不请自来，完全出乎意料。我看到了这一理论的显著演变，从一个单一的公式发展为一门其研究论文能装满整个图书馆的学科。今天，弦理论成为了实验室正进行着的许多研究的基础。希望本书能就弦理论的突破和局限性给你一个平衡的、客观的分析。

为什么这一探索引起了世界众多科学家的关注，为什么这一理论激发了如此多的热情和争议，本书将带你寻找答案！

书籍介绍

《宇宙方程》梳理了物理学家发现科学之路，从牛顿的万有引力到麦克斯韦的波动方程，从爱因斯坦的相对论到玻尔的量子论，分析了当下物理学的发展瓶颈，相对论与量子论存在分歧，缺乏一种理论将宇宙的四种基本力完全统一。作者提出了解决问题的革命性理论，“弦理论”可使连续平滑空间与量子涨落空间获得统一，分享了简单、美丽、对称的“弦方程”，“弦理论”的数学表达，爱因斯坦的梦想“万能理论”或将变为现实。同时，作者提出目前的“弦方程”尚非最终形式，物理学家、数学家正在寻找的包含“M-理论”的“弦方程”才是真正的宇宙方程，万能理论的数学表达。

诺贝尔物理学奖获得者一部分反对、一部分支持，展开了激烈论战，探讨着“弦理论”“宇宙方程”的正确性。反对者提出该理论尚不能被实验检测，支持者提出间接证据、真理的数学表达推进科学发展。作者通过思想实验帮助读者形象地理解物理理论，通过二维平面人故事帮助读者理解高维世界，通过方程推演帮助读者从逻辑层面理解宇宙奥义。

本书由7章组成，第1章，统一——古老的梦想：万能理论；第2章，爱因斯坦对统一的追求；第3章，量子的崛起；第4章，几乎万能的理论；第5章，黑色的宇宙；第6章，弦理论的崛起、希望和问题；第7章，寻找宇宙的意义。