通过结合量子理论和广义相对论，物理学的一个统一的理论或许可以解释宇宙中的万事万物——从宇宙大爆炸到亚原子粒子。我们手头有没有这么一个万物理论的候选者呢？
在19世纪末期，人们相信原子是组成物质的最小砖块。后来人们发现原子也有结构，原子核里有质子和中子，而外面是绕着原子核旋转的电子（见图8.2）。在20世纪60年代，原子被进一步分解。科学家们先是通过理论推演，之后又用实验证明了，质子和中子是由更小的、被称为夸克的物质构成的。这种结构上的层级规律是否会无穷无尽地继续下去？从目前我们所掌握的证据来看并非如此：夸克应该就是物质分解的底线了。我们现在相信夸克是组成物质的最基础的砖块，与夸克位于同一层级的是轻子，这其中就包括了电子（见图8.3）。
组成物质的夸克和轻子看起来与玻色子非常不同——玻色子是携带世间各种作用力的微观粒子。所以在20世纪70年代，大家听到这个消息时都非常震惊：理论物理学家证明了可以构造这样一个公式，将公式中的有关夸克与玻色子的参数交换位置，公式不发生变化。就好像雪花的内在对称性解释了为什么把雪花旋转之后，雪花看起来依然不变，公式的不变性也预示着一种新的对称性，称为超对称。一个推论是，每个标准模型中的粒子都存在一个超对称的伙伴。然而还没有人能发现任何一个超对称粒子。
超对称和超引力
然而，理论物理学家对超对称还有着深深的迷恋（详见第6章），因为它可以预言引力的存在。根据超对称的数学表达，将一个粒子转化成其超对称伙伴，再将其变回来，与将其在时空中移动是完全等价的。这意味着超对称提供了一种粒子的量子特性与时空之间关系的桥梁，从而使其也可以与引力相融合。从此出发推导出的概念称为超引力。有关超引力的理论包含着一种让人意想不到的推论：时空的维度不能超过11个。
往宇宙中加入额外维度的想法可以追溯到早期，那时人们试图将所有力的本质加以统一。在20世纪20年代，德国数学家、物理学家西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza,1885—1954）假设时空的维度一共有5个，从而重写了爱因斯坦的理论，这使得引力场存在额外的成分，看起来就像电磁场一样。为什么我们看不到第五个维度？在1926年，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因（Oskar Klein, 1899—1974）提出，第五个维度可能不像其他的4个维度，而是蜷缩起来，变成一个小得看不清的圆环。想象在一根细钢丝上的蚂蚁：蚂蚁既可以沿着细钢丝的方向走，也可以绕着细钢丝的外周转圈。但是从一个很远的地方看时，蚂蚁已经完全看不清了，而细钢丝看起来就很不一样了：它看起来就像是一根一维的线。克莱因经计算得出，额外的维度，其尺度大概对应于10-35米，即使对于今天最强大的粒子加速器而言，这个尺度也还是太小了，完全无法探测到。
卡鲁扎和克莱因的想法沉寂了许多年，直到超引力将其复活，不过这一回一共有7个蜷缩起来的维度。这些额外的维度能不能描述强核力、弱核力和电磁力？粗看起来，超引力好像是一个很靠谱的概念，但是里面隐藏着一些问题。首先，十一维的超引力很难解释夸克、电子是如何与弱核力相互作用的。更严重的一个问题是，超引力其实也影响了其他试图统一引力和量子场论的理论：当你应用超引力的公式去计算一些过程时，答案会变成无穷。
弦的振动
有些人将目光投向了名为超弦理论的竞争对手身上，在这个理论里，物质的最基础形式并不是一个个点状的粒子，而是存在于十维宇宙中的一维弦。正如小提琴中的弦，它们可以在不同的模式下振动，每一种振动模式对应于一种不同的基础粒子。弦的某种特殊振动可以描述传播引力作用的虚拟粒子——引力子。
粗看起来，理论物理学家的美梦似乎成真了。与十一维的超引力不同，超弦理论可以轻松地处理弱核力问题。同时，当引力子的能量足够小时，超弦理论看起来就和广义相对论完全一样。最重要的一点是，在之前试图将量子场论运用于广义相对论时面临的所有无穷与异常问题，在这里都不存在了。这是一条将引力与量子力学相统一的康庄大道。
然而，科学家们在经历一开始的兴奋以后，随之而来的是疑虑。首先，数学上自洽的超弦理论不是只有一个，而是有5个，每个都觊觎着“万物理论”的头衔。其次，超对称理论认为，宇宙最多有11个维度，而超弦理论的数学表达则表明，宇宙的维度应该是10个。此外，为什么弦是一维的？为什么世界的基础不是二维的膜，这样它既可以像一层薄片，也可以像泡泡的表面？
超弦和宇宙弦是一回事吗？
答案是否定的——不过也可能是肯定的。
宇宙弦是理论假定的时空中的缺陷，形式上它绵延数十亿光年，以凝聚的能量线形式展现于世人面前。它的密度极高，1米长的宇宙弦的质量就和一个大洲一般大。它与超弦相对，反差分明。超弦只有10-35米长，并和它们当前表现出的亚原子粒子形式的质量一样大。
我们还没有获得宇宙弦存在的证据，但是一些宇宙学家认为，当极早期宇宙冷却时，量子真空可以经历一系列的相变——这个过程和冰雪的融化过程类似——从而形成宇宙弦。这个过程中不需要任何超弦的参与。但是宇宙弦也可能以别的形式产生，在这种可能性里，暴胀时期快速膨胀的空间可能会一把抓住原初超弦，并将其拉伸至宇宙学尺度。
超膜
事实上，超对称和膜是互相调和的。在1987年，有人计算得出，超膜可以在一个由超引力主导的十一维时空中存在。长期以来存在着两个阵营：坚守十维的弦理论家，以及在十一维的世界里思考的膜理论家。
在1995年，两个阵营的理论归于一处，汇聚到由普林斯顿高等研究院的爱德华·威滕提出的M理论下。据他说，根据个人的偏好，字母“ M”可以代表魔术、谜团或者膜。威滕证明了，5种不同的超弦理论和超引力只不过是M理论的不同侧面（详见第5章）。
M理论和它的膜可以实现超弦理论无法企及的事情。在1974年，斯蒂芬·霍金证明了，黑洞可以通过量子效应辐射能量，这就意味着黑洞具有温度和熵——熵是一种热力学参数，它表示的是一个系统的无序程度。原则上说，通过列举组成黑洞的所有粒子的量子态，可以计算出黑洞的熵，但是所有通过这种方法计算熵的尝试都失败了，直到M理论横空出世，完美地再现了霍金的熵公式。
在1998年，阿根廷物理学家胡安·马尔达西那证明了，在一个遵循M理论的宇宙中，所发生的一切都能由在宇宙边界处作用的粒子所描述。这种“全息原理”可能意味着，我们也许只是一个更高维度宇宙边界处的阴影。
额外维度蜷缩的具体形式决定了四维世界的表象——这包括宇宙中包含多少代的夸克和轻子、哪些力存在，以及基本粒子的质量。M理论的一个奇怪的特点是，存在着许多（可能是无穷多）让额外维度蜷缩的方式，这就导致了存在太多的可能宇宙。其中一些也许和我们的宇宙类似，有着3代夸克和轻子，以及4种力；其他很多的宇宙则并不是如此。但是从理论的角度来看，它们都一样可能存在。所以可能存在着许多不同的宇宙，它们的物理定律很不一样，而其中的一个宇宙恰好就是我们生活于其中的那一个。
M理论是否是最终的万物理论？要检验这一点非常困难。这个理论与其他理论的一些共性特征，如超对称和额外维度可能会在对撞机实验或者天体物理观测中显现出来，但是多重宇宙所提供的大量可能性使得精确预言变得十分困难。我们观测到的自然定律是否可以从最基础的理论推导出来？还是说这一切只不过是一个巧合？这些关键问题在今时今日依然是未解之谜。也许，对万物理论的追寻是有史以来人类最雄心勃勃的科学探索。没有人会说这是一件容易的事情。
弦理论革命家
1990年，弦理论开拓者爱德华·威滕获得了菲尔兹奖，该奖相当于数学界的诺贝尔奖。这一事件表明了数学和弦理论之间的结合有多么紧密。
胡安·马尔达西那是另一个当代最具影响力的物理学家之一。他的工作证明了，在一个空间区域内的物理学过程可以被其边界上的现象所描述。虽然他的这一成就源于M理论，但是它已经在许多理论物理的研究领域引发了革命。
