粒子怎樣變成弦？
一連串的疑惑不得不使科學家認真考慮：也許在基本粒子內(nèi)部存在一種更深層的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)尚未被我們所理解。自20世紀60年代以來，在科學家孜孜不倦地努力下，一個新的理論逐漸浮出水面，這就是超弦理論。超弦理論認為，在每一個基本粒子內(nèi)部，都有一根細細的線在振動，就像小提琴琴弦的振動一樣，因此這根細細的線就被科學家形象地稱為“弦”。
撥動吉他一根弦，你會聽到一個音。撥動另一根弦，你會聽到另一個不同的音調(diào)，因為不同的弦振動的模式不同。一個音樂家通過一個吉他的六弦合奏，使這些弦在不同頻率振動，便可創(chuàng)造出無數(shù)美妙的音樂。像琴弦的不同振動模式彈出不同的樂音那樣，粒子內(nèi)部的弦也有不同的振動模式，只不過這種弦的振動不是產(chǎn)生什么音樂，而是產(chǎn)生一個個粒子。不同粒子的性質(zhì)由弦的不同振動行為來決定，電子是以某種方式振動的弦，上夸克又是以另一種方式振動的弦，如此等等。
弦與粒子質(zhì)量的關(guān)聯(lián)是很容易理解的。弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現(xiàn)象：當我們用力撥動琴弦時，振動會很劇烈；輕輕撥動它時，振動會很輕柔。而依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能原理，能量和質(zhì)量像一枚硬幣的兩面，是同一事物的不同表現(xiàn)：大能量意味著大質(zhì)量，小能量意味著小質(zhì)量。因此，振動較劇烈的粒子質(zhì)量較大，反之，振動較輕柔的粒子則質(zhì)量較小。
依照弦理論，每種基本粒子所表現(xiàn)的性質(zhì)都源自它內(nèi)部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成，而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上是在相同的弦上彈奏著不同的“音調(diào)”。由無數(shù)這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。
在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性?，F(xiàn)在我們明白了，粒子的波動性就是由弦的振動產(chǎn)生的。
以前，我們想象所有的物質(zhì)粒子都是點狀的東西，沒有空間大小。但現(xiàn)在我們明白了，那一個個點粒子其實并不是一個個實體的點，而是包含有一片片更微小的空間結(jié)構(gòu)，這樣的空間結(jié)構(gòu)的振動乍看起來像是一個個點，是因為我們目前還沒有更精微的探測技術(shù)。
物理學家還發(fā)現(xiàn)，弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在著直接的聯(lián)系。同樣的關(guān)聯(lián)也存于弦振動模式與其它力的性質(zhì)之間，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強力也完全由它的振動模式?jīng)Q定。
弦如何運動？
弦本身很簡單，只是一根極微小的線，弦可以閉合成圈（閉弦），也可以打開像頭發(fā)（開弦）。一根弦還能分解成更細小的弦，也能與別的弦碰撞構(gòu)成更長的弦。例如，一根開弦可以分裂成兩根小的開弦；也可以形成一根開弦和一根閉弦；一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦；兩根弦碰撞可以產(chǎn)生兩個新的弦。
但是當一根弦在時空中移動時，它就沒那么簡單了。弦的運動是如此的復(fù)雜，以至于三維空間已經(jīng)無法容納它的運動軌跡，必須有高達十維的空間才能滿足它的運動（十維空間是數(shù)學方程計算的結(jié)果）。就像人的運動復(fù)雜到無法在二維平面中完成，而必須在三維空間中完成一樣。
點粒子內(nèi)部的空間不是三維的，可能還有很多維，這似乎非常不可思議，不過，認真想起來，高維空間的存在完全是合理的。為了看清這一點，我們可以舉一個水管的例子。我們知道，水管的表面是二維的，但是當我們從遠處看它時，它卻像是一維的直線。這是為什么呢？原來，水管的那兩維很不一樣，沿著管子伸展方向的一維很長，容易看到；而容易繞著管子的那一個圓圈維很短，“卷縮起來了”，不容易發(fā)現(xiàn)。你必須走近水管，才能看清繞著圓圈的那一維。
這個例子表明了空間維度的一個微妙而又重要的特征：空間維有兩種。它可能很大延伸得很遠，能直接顯露出來；它也可能很小，卷縮了，很難看出來。水管比較粗大，繞著管子的那一維很容易就看到。假如管子很細——像一根頭發(fā)絲或毛細管那樣細，要看那卷縮的維可就不那么容易了。
在最微小的尺度上，科學家業(yè)已證明，我們宇宙的空間結(jié)構(gòu)既有延展的維，也有卷縮的維。就是說，我們的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的維——我們尋常經(jīng)歷的三維，也有像水管在橫向上的圓圈那樣的卷縮的維——這些多余的維緊緊卷縮在一個微小的空間，即使用我們最精密的儀器也根本不能探測它們。
那些看不見的維可能會有多小呢？我們最先進的儀器能探測到百億億分之一米的結(jié)構(gòu)，如果那些維度卷縮得比這個尺度還小，我們就看不見了?？茖W家的計算表明，卷縮的維可能小到普朗克長度（即10-33厘米），是目前的實驗遠遠不可能達到的。
