隨著顯微鏡、加速器和望遠鏡日益強大，我們能夠看到越來越小和越來越大的世界。在《最小有多小？最大有多大？》一文中，我們從最小的普朗克尺度不斷地穿越到可觀測宇宙的大小。

當我們從肉眼可見的世界一直進入到亞原子世界時就會發現，這些構成物質的微小粒子有著非常奇怪的行為，它們往往與我們的日常體驗相悖。這些粒子的行為和相互作用需要用量子理論來描述。而在另一邊，星系和宇宙的演化，以及一些極端的天體（如黑洞），則需要應用愛因斯坦的廣義相對論。

在《現代物理學的兩大基石》中，我們已經介紹過這兩個理論。但是，這兩個理論之間的界限在哪里？我們可以模擬宇宙的開端或者黑洞的內部嗎？就目前所知，在這樣極端的情況下，所有的物理定律都會失效。

宇宙中，已知的四種基本力分別是引力、電磁力、弱核力和強核力。廣義相對論是目前描述引力的最好理論，而其他三種基本力則由量子場論描述。物理學家認為，在很高的能量下，這四種力會被統一到一個單一的框架中，這樣的一個理論被稱為萬有理論。

格拉肖（Sheldon Glashow）、薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（ Steven Weinberg）已經成功地在高能下將電磁和弱相互作用統一到一個叫電弱理論的單一框架中。他們也因此獲得了1979年的諾貝爾物理學獎。這個理論所預言的傳遞弱核力的粒子（W和Z玻色子）在1983年被發現。

他們的成功讓一些理論物理學家使一些科學家相信，或許在更高的能量下，強核力、弱核力和電磁力都可以被統一起來。這種思想被稱為大統一理論。雖然在理論上具有足夠的吸引力，但在實驗上，理論所預測的質子衰變至今仍未被觀測到。

○四種基本力的統一。| 圖片來源：新原理研究所

但是，當物理學家想要把引力也囊括進來時，卻遇到了困難。如果我們試圖以最顯而易見的方式來調和引力和其他力，就會得到無窮大。但我們知道，真實的東西不可能有無窮大的值。因此，當無窮大出現時，就意味著理論出現了問題。

對于空間中質量非常大、但非常小的區域（比如黑洞內部），廣義相對論就給出無窮大的解。同時，當我們假設量子場論適用于任意小的尺度時，也會得到無窮大的結果。

其中一些問題可能在于支配廣義相對論的基本原理與支配量子力學的基本原理不匹配。廣義相對論告訴我們，空間和時間不是絕對的：它們本身也是動態的。相反，在量子場論中，空間和時間是定義場的固定背景：變量精確地依賴于它們所處的位置。

此外，我們對量子力學的詮釋與我們作為觀察者所扮演的角色是密不可分的。但在廣義相對論中，觀察者對理論沒有影響。

最后，廣義相對論需要一個被質量彎曲的光滑的空間結構。但量子力學的不確定性原理告訴我們，沒有什么是真正光滑的：即使是真空，也必須存在量子漲落。看起來這些理論的基本元素是不相容的。

為了解決所有這些問題，并讓廣義相對論和量子理論和平共處，物理學家在過去幾十年提出了許多的可能性，包括圈量子引力理論、因果集理論、因果動態三角剖分等。但在所有的嘗試中，只有弦理論最靠近這個目標。

在過去，我們認為這個世界是由粒子構成的。但弦理論卻告訴我們，粒子并不是最基本的：在非常小的距離上，它們像是微小振動的弦。這些弦在量子力學和相對論都能很好的發揮作用。事實上，量子弦很容易產生我們觀測到的粒子。

盡管弦理論看起來極其優美，但它要求許多復雜的概念。它依賴于超對稱，并需要假設存在額外維度。而最令人尷尬的是，目前還沒有任何實驗證據表明它是對的。

盡管如此，物理學家已經發現了一個豐富的潛在結構。弦理論具有重要而吸引人的對偶性，出乎意料地將數學和物理的不同領域聯系起來。而弦本身只是神秘時空膜的簡單例子。目前，大多數的研究都集中在ADS/CFT對應上，但它還沒有被完全理解。