弦理论曾经让每个人都感到困惑。甚至它的实践者也对其复杂性感到担忧，而其他物理学家则嘲笑它缺乏实验预测。世界其他地方在很大程度上对此一无所知。科学家们几乎无法沟通弦理论为何如此令人兴奋——它为何能够实现阿尔伯特·爱因斯坦关于终极统一理论的梦想，它如何能够深入了解宇宙为何存在等深刻问题。但在 20 世纪 90 年代中期，该理论开始在概念上融会贯通。研究人员提出了一些可能对其进行实验检验的方法。外界开始关注。伍迪·艾伦在 2003 年 7 月的《纽约客》专栏中讽刺了该理论——这可能是首次有人使用卡拉比-丘空间来讲述办公室恋情的故事。
很少有人能像哥伦比亚大学物理学教授、该理论的主要贡献者布莱恩·格林那样，为揭开弦理论的神秘面纱做出更多贡献。他 1999 年出版的著作《优雅的宇宙》荣登《纽约时报》畅销书排行榜第四位，并入围普利策奖决赛。2003 年，格林主持了 PBS 根据该书改编的三集 Nova 系列节目，并于 2004 年出版了《宇宙的构造》，这是一本关于空间和时间本质的畅销书。《大众科学》的编辑乔治·穆瑟在吃一盘细细长长的意大利面时与他进行了交谈。以下是经过删节和编辑的对话版本。
大众科学： 有时，当我们的读者听到“弦理论”或“宇宙学”这两个词时，他们会举手表示，“我永远也无法理解它。”
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布莱恩·格林： 在涉及弦理论或宇宙学等概念时，我绝对遇到过一定程度的恐吓。但我发现，大多数与我交谈过的人都对这些概念有着广泛而深刻的基本兴趣，因此他们愿意比对待其他更容易理解的主题更深入地了解。
大众科学： 我注意到，在《优雅的宇宙》的几个地方，您首先给出了物理概念的粗略想法，然后再给出详细版本。
布莱恩·格林： 我发现这是一种很有用的方法，尤其是在较难的部分。它给了读者许可：如果粗略的想法是您想要理解的程度，那就太好了；随意跳过接下来的内容。否则，请继续阅读。我喜欢用多种方式来表达事物。我只是认为，当涉及到抽象概念时，您需要多条途径来理解它们。从科学的角度来看，如果您只坚持一条途径，我认为您真的会损害您取得突破的能力。我认为这正是突破的意义所在。每个人都以一种方式看待问题，而您从后面入手。这种不同的方法以某种方式揭示了另一种方法没有揭示的东西。
大众科学： 您能举例说明一些后门方法吗？
布莱恩·格林： 嗯，可能最大的突破是爱德华·威滕的突破。爱德华 [普林斯顿高级研究所] 只是登上山顶，向下看，看到了没有人看到的联系，并以这种方式统一了之前被认为完全不同的五种弦理论。一切都在那里；他只是采取了不同的视角，砰，一切都结合在一起了。这就是天才。
对我来说，这表明什么是根本性的发现。宇宙在某种意义上引导我们走向真理，因为这些真理是支配我们所见事物的东西。如果我们都被我们所见事物所支配，那么我们都被引导到同一个方向。因此，取得突破与否之间的区别通常可能只是感知的一个小元素，无论是真实的感知还是数学的感知，它将事物以不同的方式组合在一起。
大众科学： 您认为如果没有天才的介入，这些发现会被发现吗？
布莱恩·格林： 嗯，这很难说。就弦理论而言，我认为会，因为谜题的碎片真的越来越清晰。可能晚五年或十年，但我怀疑它会发生。但就广义相对论而言，我就不知道了。广义相对论是一次巨大的飞跃，是对空间、时间和引力的重大重新思考，我不清楚如果没有爱因斯坦，这种情况会如何以及何时发生。
大众科学： 您认为弦理论中有哪些例子可以与这种巨大的飞跃相提并论？
布莱恩·格林： 我认为我们仍在等待如此巨大的飞跃。弦理论是由许多人的许多较小想法构建起来的，并且一直在慢慢地将它们缝合在一起，形成一个越来越令人印象深刻的理论体系。但是，位于该体系顶端的想法是什么，我们仍然不太清楚。当我们确实有那个想法时，我相信它会像一座灯塔一样照耀下来；它将照亮这座体系，而且，我相信，它还将为尚未解决的关键问题提供答案。
大众科学： 就相对论而言，您有等效原理和广义协变性在灯塔角色中。
在标准模型中，它是规范不变性。在《优雅的宇宙》中，您认为全息原理可能是弦理论的该原理 [另请参阅第 74 页雅各布·D·贝肯斯坦的“全息宇宙中的信息”]。您现在对此有何看法？
布莱恩·格林： 嗯，在过去的几年里，全息原理的突出性和可信度都得到了进一步提高。早在 20 世纪 90 年代中期，在全息思想被提出后不久，支持这些思想的观点还是相当抽象和模糊的，所有这些都基于黑洞的特征：黑洞熵位于表面；因此，自由度可能位于表面；因此，也许对于所有具有视界的区域来说都是如此；也许对于宇宙视界来说也是如此；也许我们生活在一个宇宙区域内，该区域的真实自由度位于遥远的地方。奇妙而奇怪的想法，但支持证据却很少。
但这种情况随着胡安·马尔达西纳 [高级研究所] 的工作而发生了改变，他在弦理论中找到了一个明确的例子，其中体内的物理学——也就是说，在我们认为是真实的竞技场中——将完全被边界表面上发生的物理学所镜像。就任何一种描述真正描述正在发生的事情的能力而言，两者之间没有任何区别，但在细节上，描述将截然不同。一个将是五维的，另一个将是四维的。因此，即使是维度数量似乎也不是您可以指望的东西，因为可能存在可以准确反映您正在观察的物理学的替代描述。
因此，在我看来，这使得抽象的想法现在变得具体；它让您相信抽象的想法。即使弦理论的细节发生变化，我认为，就像许多其他人一样——尽管不是所有人——全息思想将继续存在并将指导我们。它是否真的是那个想法，我不知道。我不这么认为。但我认为它很可能成为寻找该理论基本思想的关键垫脚石之一。它跳出了该理论的细节，只是说，这是一个具有量子力学和引力的世界的一个非常普遍的特征。
大众科学： 让我们谈谈圈量子引力和其他一些方法。您一直将弦理论描述为量子引力领域的唯一选择。您现在仍然这样认为吗？
布莱恩·格林： 我认为它是最有趣的选择！但公平地说，圈量子引力界已经取得了巨大进展。我仍然觉得有很多非常基本的问题没有得到解答，至少不能让我满意。但这是一种可行的方法，很高兴有如此多的才华横溢的人致力于此。我的希望——这也是李·斯莫林一直倡导的——是我们最终将从不同的角度发展出相同的理论 [参见第 56 页李·斯莫林的“空间和时间的原子”]。我们沿着我们的量子引力之路前进，他们沿着他们的量子引力之路前进，我们将在某个地方相遇，这并非不可能。因为事实证明，他们的许多优势正是我们的弱点。我们的许多优势正是他们的弱点。
弦理论的一个弱点是它是所谓的背景依赖性。我们需要假设一个现有的时空，弦在其中运动。但是，您会希望真正的量子引力理论会使时空从其基本方程中涌现出来。然而，他们 [圈量子引力研究人员] 在他们的方法中确实有一个背景无关的公式，其中时空确实更根本地从理论本身中涌现出来。另一方面，我们能够在大尺度上与爱因斯坦的广义相对论进行非常直接的接触。我们在我们的方程中看到了它。他们难以与普通引力建立联系。因此，您自然会想到也许可以将两者的优势结合起来。
大众科学： 已经为此做出努力了吗？
布莱恩·格林： 慢慢地。真正精通这两种理论的人很少。这两个都是庞大的主题，您可能会花费您一生中的每一刻工作时间，仅仅在您自己的主题中，您仍然不会知道正在发生的一切。但是很多人正在朝着这个方向前进，并开始沿着这些思路思考，并且已经举行了一些联合会议。
大众科学： 如果您有这种背景依赖性，那么从深层意义上真正理解空间和时间是什么还有希望吗？
布莱恩·格林： 嗯，您可以逐渐解决这个问题。例如，即使具有背景依赖性，我们也学到了一些东西，例如镜像对称性——可能存在两个时空，一个物理学。我们已经了解了拓扑变化——空间可以以我们以前认为不可能的方式演变。我们已经了解到，微观世界可能受非交换几何学支配，其中坐标与实数不同，坐标取决于您将它们相乘的顺序。因此，您可以获得一些暗示。您可以获得对那里真正发生的事情的零星一瞥。但我认为，如果没有背景无关的形式主义，就很难将这些碎片组合在一起。
大众科学： 镜像对称性非常深刻，因为它将时空几何与物理学分离。两者之间的联系一直是爱因斯坦计划。
布莱恩·格林： 是的，没错。现在，它并没有完全将它们分离。它只是说您遗漏了一半的故事。几何学与物理学紧密相连，但它是一个二对一的映射。它不是物理学和几何学。它是物理学和几何学-几何学，您想选择哪种几何学取决于您。有时，使用一种几何学比另一种几何学更能让您深入了解。同样，看待同一个物理系统的不同方式：两种不同的几何学和一个物理学。人们发现，关于某些物理和几何系统存在一些数学问题，人们无法使用一种几何学来回答。引入之前未被意识到的镜像几何学，突然之间，当翻译过来时，极其困难的问题变得令人难以置信地简单。
大众科学： 您能描述一下非交换几何学吗？
布莱恩·格林： 自笛卡尔时代以来，我们发现用坐标标记点非常有效，无论是在地球上用经度和纬度标记点，还是在三维空间中用您在高中学到的三个笛卡尔坐标 x、y 和 z 标记点。我们一直认为这些数字就像普通数字一样，它们具有以下属性：当您将它们相乘时（这通常是您在物理学中需要进行的操作），答案不取决于运算顺序：3 乘以 5 等于 5 乘以 3。我们似乎发现的是，当您在非常小的尺度上对空间进行坐标化时，所涉及的数字不像 3 和 5 那样，它们不取决于它们相乘的顺序。有一类新的数字确实取决于乘法顺序。
它们实际上并不是那么新，因为长期以来我们都知道一种称为矩阵的实体。当然，矩阵乘法取决于乘法顺序。如果 A 和 B 是矩阵，则 A 乘以 B 不等于 B 乘以 A。弦理论似乎表明，用单个数字描述的点被用矩阵描述的几何对象所取代。在大尺度上，事实证明这些矩阵变得越来越对角化，而对角矩阵确实具有在相乘时可交换的属性。如果它们是对角矩阵，那么您如何将 A 乘以 B 都无关紧要。但是，如果您冒险进入微观世界，矩阵中的非对角线项会变得越来越大，直到在深处，它们才发挥重要作用。
非交换几何学是一个全新的几何学领域，一些人一直在开发它多年，但未必考虑到物理学的应用。法国数学家阿兰·孔涅写了一本厚厚的书，名为《非交换几何学》。欧几里得、高斯、黎曼以及所有那些杰出的几何学家都在交换几何学的背景下工作，而现在孔涅和其他人正在起飞并开发更新的非交换几何学结构。
大众科学： 我感到困惑——也许应该感到困惑——您必须用矩阵或一些非纯数字来标记点。这意味着什么？
布莱恩·格林： 思考这个问题的方式是：没有点的概念。点是一种近似。如果存在点，您应该用数字标记它。但这种说法是，在足够小的尺度上，点的语言变得非常糟糕的近似，以至于它根本不相关。当我们谈论几何学中的点时，我们真正谈论的是事物如何通过点移动。最终相关的是物体的运动。事实证明，它们的运动可能比仅仅来回滑动更复杂。所有这些运动都由矩阵捕获。因此，与其用物体经过的点来标记物体，不如用自由度矩阵来标记其运动。
大众科学： 您目前对人择原理和多元宇宙类型的想法有何看法？您在《优雅的宇宙》中谈到了它，背景是弦理论的解释力是否有限制。
布莱恩·格林： 我和许多其他人一直对这些人择原理的想法不太满意，主要是因为在我看来，在科学史上的任何时候，您都可以说，“好吧，我们完成了，我们无法再进一步了，对于当前每个未解决问题的最终答案是：‘事物之所以如此，是因为如果它们不是这样，我们就不会在这里提出这个问题。’”因此，这有点像是一种逃避。也许“逃避”这个词用词不当。不一定像逃避；我觉得这有点危险，因为也许您只需要再努力工作五年，您就可以回答那些未解决的问题，而不是仅仅将它们归结为“事情就是这样”。因此，这就是我的担忧：人们不会因为拥有这种退路而停止寻找。
但是您知道，人择原理的想法肯定变得更加成熟。它们现在是真正的提议，您将在其中拥有许多宇宙，而这些宇宙可能都具有不同的属性，并且很可能我们只是在这个宇宙中，因为这些属性适合我们存在于此，而我们不在那些宇宙中，因为我们无法在那里生存。它不再仅仅是一种脑力锻炼。
大众科学： 弦理论和现代物理学总体上似乎正在接近一个单一的逻辑结构，该结构必须如此；该理论之所以如此，是因为不可能有其他方式。一方面，这与人择原理的方向相悖。但另一方面，该理论的灵活性使您走向人择原理的方向。
布莱恩·格林： 灵活性可能存在，也可能不存在。这很可能只是我们缺乏充分理解的人为产物。但是，如果我要根据我们今天所理解的来看，该理论似乎能够产生许多不同的世界，而我们的世界似乎可能是其中之一，甚至不一定是特别的一个。因此，是的，绝对的、僵化的不可变性的目标存在张力。
大众科学： 如果您有其他研究生在等待，您会引导他们走向什么方向？
布莱恩·格林： 嗯，我认为，我们已经讨论过的大问题是：我们能否理解空间和时间的来源？我们能否找出弦理论的基本思想？我们能否证明这个基本思想产生了一个独特的理论，该理论具有一个独特的解，而这个解恰好是我们所知的世界？是否有可能通过天文观测或基于加速器的实验来检验这些想法？
我们甚至可以退后一步，了解为什么量子力学必须成为我们所知世界的一部分吗？在任何有可能正确的物理理论中，我们在非常深的层次上依赖的有多少东西——例如空间、时间、量子力学——是真正必不可少的，有多少东西可以放松，并且可能仍然产生与我们的世界接近的世界？
物理学是否可能采取不同的路径，该路径在实验上同样成功，但完全不同？我不知道。但我认为这是一个真正有趣的问题，值得提出。我们在多大程度上相信的事情是真正由数据和数学一致性以独特的方式驱动的，又有多少事情可能走向这个方向或那个方向，而我们只是碰巧走了一条路，因为那是我们碰巧发现的？另一个星球上的生物是否可能拥有完全不同的定律集，这些定律集在某种程度上与我们的定律集一样有效？