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。

11维宇宙

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。