弦、超弦和膜

在粒子物理的标准模型中，粒子都被视为一种点状物体，它们在空间中自由移动，被它们相互间的作用力所指引，这些力通过四种基本力——引力、电磁作用、强核力和弱核力——产生。粒子相互作用的众多方式都能由名为“载荷”的特性所解释，并与每个粒子在空间中的速度和位置有关。电荷是其中最为人熟知的一种，它决定了粒子通过电磁力相互作用的方式。质量也是一种载荷，它支配着粒子间基于引力的相互作用。其他的载荷还包括了强核力的颜色载荷和粒子的自旋。

标准模型在运用量子物理的概念解释电磁力、强核力和弱核力上都十分的成功，也就是说“真实”粒子之间的力都是由虚粒子携带的。但是，引力却不能用这种标准模型和量子理论来解释，因此物理学家一直在寻找其他的解释，其中之一就是弦理论。

在弦理论中，粒子被弦所取代。它们要么是闭环的，要么是开环的，就像一缕头发一样。弦以不同的方式振动，不同的振动模式产生了宇宙中所有不同的粒子。因此每种粒子都是对同一种潜在对象的不同表达——一个弦。在大部分情况下，这些振动都发生在我们所能知到的三维之上的维度。事实上，弦理论是建立在10维或者是11维的空间上的。这些额外的维度被想象成空间的环，它们像互为相连的带子一样结合在一起，并且它们极小。它们据说是被压密的，这就是为什么即便它们支撑了我们周围的整个宇宙的外貌，而我们仍然不能察觉到原因。

这幅图显示了位于南天极附近的200万个星系。红色的星系比蓝色星系远。粒子物理将极小（如电子）与极大（如宇宙本身）联系起来，而这种差异只有科学家理解大爆炸的最初阶段粒子之间是如何相互作用之时才能完全解释清楚。

根据粒子物理的“经典”模型，所有基础粒子都是点状物体（A）。但是根据波粒二象性，粒子能够表现为波状（B）。在弦理论中，一条振动的“弦”（C）取代了粒子。在M理论中，额外的维度使得弦变成圆柱状的结构，称为膜（D）。

在最初的构想中，弦只适用于玻色子——一种携带力的粒子。应用另外一种被称为超对称的理论，弦变成了超弦，并且能够用来解释费密子（拥有半自旋的物质粒子）——例如电子和夸克。这就出现了一个问题，三种不同的超弦理论很快被提了出来，同时也产生了另外两种混合理论，它们被合称为杂化弦。

这一直是个重大的困惑——直到科学家认识到所有的单弦理论能够被置于一个更大的理论框架中。这就是M理论，意即母理论。五种自成体系的弦理论就像是M理论海洋上的小岛。理论物理学家正致力于研究M理论的可能性，因为为了建立一种合理的弦理论，引力也必须被包含进来，所以所有四种基本力都一下子被包括到一个理论中，而不再经由一个中间的大统一理论阶段。

一个形容11维空间的独特的弦理论引起了广泛的关注：第11个维度被想象成一个被压密的环，它能够将弦转变为一个开放的圆柱体，就像吸管一样。这些物体被称为膜，以突出它们与弦的区别。

M理论和膜理论最令人激动的方面是：在小尺度上，它们重现了量子论的效应，在最大尺度上，它们也满足广义相对论。尽管在这种理论最终成型前仍有很多工作需要做，但看起来物理学家最终将找到一种所谓的关于所有事物的理论。

物理学家使用加速器来研究亚原子粒子。在弗吉尼亚杰弗逊实验室中的的粒子加速器（如图上人为加上颜色的部分所示）中，电子在品红色的建筑物（左中）里产生，然后用绕着黄色轨道的磁铁加速。五圈之后，电子离开轨道，进入三个绿色实验场地之一。一些轨道通过蓝色的“计数”屋。超弦理论和超对称理论要求存在一种比所有已知的基本粒子大得多的超粒子。为了产生它们，粒子加速器需要有更高的能量。但至今仍然没有确切地生成过一种超粒子。

物理学家所注视的屏幕显示了一个质子和一个反质子（白色线）在一个粒子加速器中的碰撞。释放出来的能量导致新粒子的大批呈现，它们有自己独有的彩色轨迹。

广义相对论

20世纪早期由阿尔伯特·爱因斯坦推导出来的狭义相对论描述了观测者和系统相对彼此处在统一的恒定运动中。爱因斯坦想要将这一工作扩展到系统变化其速度的情况中去——比如某些物体正在加速时。通过将相对性扩展到加速参照系中，爱因斯坦系统地阐述了关于引力的一种新理论，到目前为止，它被证明是最为正确的。

广义相对论的基石是等价性定理。这一定理提出势阱——具有引力场的物体的周围区域——中的状况可以通过一个加速中的参照系得到再现。有一个力——比如引力——作用于其上的参照系可以通过恰当的加速度的应用而抵消。因此，这意味着力和加速度等价。

运用广义相对论的定律，空间的三个为人所熟知的维度——上和下、左和右以及内和外——可以与向前的一维——时间相连。它们可以被看作是四维的时空连续体，连续体中两个物体间的最短距离是测地线。尽管测地线通常都是直的，但时空连续体可能是弯曲的，因此测地线的真实形状也是弯曲的。这种弯曲发生在大质量物体——例如恒星、行星以及在更大尺度上的星系——扭曲了时空连续体并成为势阱时。电磁辐射中的光子在时空连续体中沿着直线传播，但当它们靠近势阱时，它们在三维空间中转化为曲线。这导致的一个结果就是名为引力透镜的现象，它使得遥远的一个天体（如类星体）分解成了两个或者更多的图像，这是由一个介入中的星系的引力场造成的。

广义相对论不再将引力作为一种力来解释其效应，这可以通过对行驶在道路转弯处的汽车来解释：乘客被离心力推向一侧。但这仅仅是一种表观力，乘客的身体实际尝试继续沿直线运动，但与正向新方向运行的汽车的侧面接触。引力可以被看作是一种类似于离心力的表观力。

弯曲的时空连续体中直线路径的概念可以通过地球表面上的两个人形象化；他们都站在赤道上，但位于不同的经度，没有人会怀疑如果他们走在平行的路径上，那么他们不会相交。但如果他们持续向北沿直线走到北极点，他们会越来越接近。如果他们以相同的速度前进，那么他们将在北极点相遇。这看起来像是一种引力将他们拉到了一起，但他们所做的只是沿着弯曲表面——地球——上的直线路径行走。引力可以用这种方式来理解，但因为人类是三维的存在，所以我们不能够感知宇宙在第四维上的弯曲。这种弯曲的效应就是被称为引力的力。

根据广义相对论，太阳会导致时空连续体内的变形，并且使经过太阳附近区域的无线电信号发生延迟。这些效应由美国国家航空航天局（NASA）于20世纪70年代中期发射向火星的“海盗号”空间探测器测试过。当火星位于太阳的远端时，无线电信号的传输时间比所需的时间多了100毫秒。多出的时间等价于无线电波多传播了30千米，这被解释为无线电波进入再穿出太阳的势阱造成的。

欧洲到北美的最短距离看起来是地球表面的二维地图上的一条直线。然而地球是三维的，所以两点间的实际路线是一条曲线。这类似于物体和辐射在时空连续体中穿越的状况。尽管它们看起来是沿着空间中的直线传播，但实际上它们正在四维空间里沿曲线运动。↑