近代物理的两套基本理论：相对论和量子力学都获得了巨大的成功。相对论所描述的物质在宇宙大尺度范围中的运动情况非常符合我们所观测到的实际情况，如在使用GPS卫星定位系统时就需要使用广义相对论的理论来进行无线电波的运动计算，从而得到正确的定位数据，而按照传统物理学电磁学理论会给定位数据带来比较大的误差。这就说明广义相对论对物质运动的描述更加正确。在描述物质的微观结构和小尺度范围的运动，如原子内部的结构，原子核的构成，中子、质子内部的夸克的存在状态等微观世界的情况，量子力学可以很好地描述这些。量子力学可以解释除引力以外的3种基本力（强力、弱力和电磁力）引起的物质运动规律和由此而产生的物质微观结构。但是，非常遗憾的是这两种理论的使用范围都有局限，在一些极端的情况下，两种理论对物质的物理特性的描述是互相矛盾的。

所以，物理学家一直在努力寻找一种能够把物质相互作用的4种基本力都能够正确描述的物理理论。爱因斯坦在他生命的最后30多年都一直在努力进行这项工作，但是直到最近物理学家提出的弦理论这个问题才看到了希望。弦理论的提出来源于数学推导而不是物理实际的观察。根据弦理论的描述，一些以不同的方式振动的能量弦构成了我们的物质世界，我们所能够描述的物质世界仅仅是这些能量弦的各种运动形式。这似乎又印证了古老东方智慧的虚无之道的世界学说。关于对世界的看法，对物质认识的哲学问题我们下一节再讨论。

现在先看一下弦论对物质的解释。弦论对自然界的描述，认为宇宙的物质都由某些模式的振动弦组成的（甚至包括真空）。如电子、光子、中微子和夸克等等近代物理学中构成物质的这些基本粒子，看起来像粒子，实际上都是很小很小的弦的不同振动模式的具体表现形式。粒子的质量来源于宇宙弦的振动能量（m=E/C2）。弦理论中宇宙可以看作是由宇宙弦的不同振动模式组成的大海。每条宇宙弦的典型尺度约为宇宙长度的基本单位，即普朗克长度（约10－33厘米）。所以在宇宙中由振动弦构成的物质就很自然地表现出了物质的量子特性，弦理论可以很好地描述量子力学的各种物理规律。不同的是量子力学理论中把各种粒子用点来描述它们的运动情况，而弦理论是以振动的弦来描述具有量子特性的各种粒子的运动特性。如果我们进一步地研究物质的复杂特性，可能会进一步地需要振动的面膜，或者立体的振动空间，甚至高维的振动空间。下图表达了粒子描述和弦论中的时空差别。

(a) 粒子一分为二的时空图      (b) 弦论中的对应时空图

正是这个改进，使得弦理论也可以解释包括引力的相对论理论范围的物质运动特性,爱因斯坦的广义相对论已经可以从弦论中被推导出来。也就是说弦理论可能可以把我们目前所知道的四种基本力的作用都可以正确地加以描述，它可能成为近代物理学家一直在寻找的“大统一理论”。弦理论对宇宙弦的振动模式的具体描述采用的是一套很专业的数学语言，在这些描述中除了艰涩的数学公式以外，还引入了高维概念。也就是可以认为宇宙弦的振动模式的具体描述是如此的复杂和多样化，以至于仅仅用传统的四维时空还不能表达这种运动，还需要引入更多的维数，有的弦理论要6维，有的弦理论甚至要多达11维的数学公式才能够比较好描述这个如此丰富的物质世界。

对于从传统物理学走过来的理念，三维空间加上一个时间坐标对于描述我们周围的物质世界是十分自然和足够的。到弦理论中出现高维空间的运动描述比较难以理解。其实，设想一下如果没有负数的数学表示，我们熟悉的3维空间中间的物质运动是不是也需要6维的数学描述才能很好地来表达。这样，对于用弦理论的弦振动模式来描述复杂而离奇的物质世界的运动时，出现高维的数学描述也就比较容易理解了。

现在物理学家提出的弦理论有多种形式，实际上可以通过5种不同的方式进人弦理论。它们分别被称为：I型理论，llA型理论.IIB型理论，杂化O（32）型理论和杂化E8XE8理论。进一步的研究这些形式之间是有联系的，它们其实是从不同的角度来描述同样的东西。好像大家熟悉的“瞎子摸象”的寓言，在搞清楚整体之前，各人都只能从不同的部分来描述一个“大象”。第二次超弦革命的结果说明，这5个弦理论实际上是一个被称为M理论的统一框架的一部分。对于我们非专业人员主要关心的不是这些理论的数学方法，主要是希望了解通过这些理论可以为我们说明哪些物质和宇宙的特性。

弦理论不仅仅可以很好地描述微观世界中呈现量子特性的那些微粒的物理特性，如基本粒子的质量、电荷、自旋、动量等等一系列的物理特性，在弦理论的描述中它们都来源于宇宙弦的振动模式和能量。相对论理论是不适用于微小空间和微观粒子的物理特性的描述的。而弦理论也可以很好地描述宇宙大尺度下的那些原来只能由相对论理论来说明的物理特性，而量子力学一直都不能描述引力场的物理特性。这样，弦理论就有可能可以描述那些极端的物理状态（极高能量的物质）下的物理过程，如宇宙的起源，黑洞的形成和运行等。弦理论可以告诉我们宇宙中虽然有及其不同的物理现象，达到几百亿光年的宇宙，小到普朗克尺度的微观世界，甚至那些极端的宇宙起源和黑洞中自然界都遵循着本身同样的自然规律在运动。

宇宙中物质的运动状况是及其复杂的，而且上不断变化的，除了我们所熟悉的3维空间和1维时间以外，还会有许多卷曲在极其微小尺度下的维度在决定着物质的运动情况。甚至我们所熟悉的3维空间和1维时间也可能是在极其大的宇宙尺度上卷曲着的。“通过超弦理论和从它演化而来的M理论，一个融合量子力学、广义相对论以及强弱和电磁力的强有力的框架终于出现了。这些进步给人们以前的世界观带来的冲击是巨大的:一圈圈的弦、一颗颗振动的液滴，把宇宙生成的万物都统一地归结为形形色色的振动模式，而那些精密的振动所在的宇宙空间具有许多隐藏的维度，能极端地卷缩起来，不停地经历结构的破裂和修复。谁能想到，引力和量子力学会融人一个包罗所有物质和力的统一理论，为我们宇宙的认识带来那么巨大的革命?”【11】下面的视频非常形象地描述了弦理论的发展：

优雅的宇宙-弦理论-  http://www.tudou.com/programs/view/pch2HhCW2NM/request_from=cpr

人类对自然规律的掌握是在不断的进步，弦理论仅仅是一种可以统一地用严密而优美的数学公式来描述目前我们所能够了解到的各种物质运动状态的物理理论。但是它绝对不会是宇宙的“终极理论”。这个世界还存在着人类没有直接观察到的一些物质形态和物资运动方式，比如暗物质和暗能量等。所以即使是被称为“终极理论”的描述也可能不适用于这些情况。这也是现代物理学发展给予我们对世界的一个认识，对这个问题的认识下面我们还需要进一步地说明。