弦、超弦和膜

在粒子物理的標準模型中，粒子都被視為一種點狀物體，它們在空間中自由移動，被它們相互間的作用力所指引，這些力通過四種基本力——引力、電磁作用、強核力和弱核力——產生。粒子相互作用的眾多方式都能由名為“載荷”的特性所解釋，并與每個粒子在空間中的速度和位置有關。電荷是其中最為人熟知的一種，它決定了粒子通過電磁力相互作用的方式。質量也是一種載荷，它支配著粒子間基于引力的相互作用。其他的載荷還包括了強核力的顏色載荷和粒子的自旋。

標準模型在運用量子物理的概念解釋電磁力、強核力和弱核力上都十分的成功，也就是說“真實”粒子之間的力都是由虛粒子攜帶的。但是，引力卻不能用這種標準模型和量子理論來解釋，因此物理學家一直在尋找其他的解釋，其中之一就是弦理論。

在弦理論中，粒子被弦所取代。它們要么是閉環的，要么是開環的，就像一縷頭發一樣。弦以不同的方式振動，不同的振動模式產生了宇宙中所有不同的粒子。因此每種粒子都是對同一種潛在對象的不同表達——一個弦。在大部分情況下，這些振動都發生在我們所能知到的三維之上的維度。事實上，弦理論是建立在10維或者是11維的空間上的。這些額外的維度被想象成空間的環，它們像互為相連的帶子一樣結合在一起，并且它們極小。它們據說是被壓密的，這就是為什么即便它們支撐了我們周圍的整個宇宙的外貌，而我們仍然不能察覺到原因。

在最初的構想中，弦只適用于玻色子——一種攜帶力的粒子。應用另外一種被稱為超對稱的理論，弦變成了超弦，并且能夠用來解釋費密子（擁有半自旋的物質粒子）——例如電子和夸克。這就出現了一個問題，三種不同的超弦理論很快被提了出來，同時也產生了另外兩種混合理論，它們被合稱為雜化弦。

這一直是個重大的困惑——直到科學家認識到所有的單弦理論能夠被置于一個更大的理論框架中。這就是M理論，意即母理論。五種自成體系的弦理論就像是M理論海洋上的小島。理論物理學家正致力于研究M理論的可能性，因為為了建立一種合理的弦理論，引力也必須被包含進來，所以所有四種基本力都一下子被包括到一個理論中，而不再經由一個中間的大統一理論階段。

一個形容11維空間的獨特的弦理論引起了廣泛的關注：第11個維度被想象成一個被壓密的環，它能夠將弦轉變為一個開放的圓柱體，就像吸管一樣。這些物體被稱為膜，以突出它們與弦的區別。

M理論和膜理論最令人激動的方面是：在小尺度上，它們重現了量子論的效應，在最大尺度上，它們也滿足廣義相對論。盡管在這種理論最終成型前仍有很多工作需要做，但看起來物理學家最終將找到一種所謂的關于所有事物的理論。

廣義相對論

20世紀早期由阿爾伯特·愛因斯坦推導出來的狹義相對論描述了觀測者和系統相對彼此處在統一的恒定運動中。愛因斯坦想要將這一工作擴展到系統變化其速度的情況中去——比如某些物體正在加速時。通過將相對性擴展到加速參照系中，愛因斯坦系統地闡述了關于引力的一種新理論，到目前為止，它被證明是最為正確的。

廣義相對論的基石是等價性定理。這一定理提出勢阱——具有引力場的物體的周圍區域——中的狀況可以通過一個加速中的參照系得到再現。有一個力——比如引力——作用于其上的參照系可以通過恰當的加速度的應用而抵消。因此，這意味著力和加速度等價。

運用廣義相對論的定律，空間的三個為人所熟知的維度——上和下、左和右以及內和外——可以與向前的一維——時間相連。它們可以被看作是四維的時空連續體，連續體中兩個物體間的最短距離是測地線。盡管測地線通常都是直的，但時空連續體可能是彎曲的，因此測地線的真實形狀也是彎曲的。這種彎曲發生在大質量物體——例如恒星、行星以及在更大尺度上的星系——扭曲了時空連續體并成為勢阱時。電磁輻射中的光子在時空連續體中沿著直線傳播，但當它們靠近勢阱時，它們在三維空間中轉化為曲線。這導致的一個結果就是名為引力透鏡的現象，它使得遙遠的一個天體（如類星體）分解成了兩個或者更多的圖像，這是由一個介入中的星系的引力場造成的。

廣義相對論不再將引力作為一種力來解釋其效應，這可以通過對行駛在道路轉彎處的汽車來解釋：乘客被離心力推向一側。但這僅僅是一種表觀力，乘客的身體實際嘗試繼續沿直線運動，但與正向新方向運行的汽車的側面接觸。引力可以被看作是一種類似于離心力的表觀力。

彎曲的時空連續體中直線路徑的概念可以通過地球表面上的兩個人形象化；他們都站在赤道上，但位于不同的經度，沒有人會懷疑如果他們走在平行的路徑上，那么他們不會相交。但如果他們持續向北沿直線走到北極點，他們會越來越接近。如果他們以相同的速度前進，那么他們將在北極點相遇。這看起來像是一種引力將他們拉到了一起，但他們所做的只是沿著彎曲表面——地球——上的直線路徑行走。引力可以用這種方式來理解，但因為人類是三維的存在，所以我們不能夠感知宇宙在第四維上的彎曲。這種彎曲的效應就是被稱為引力的力。