超引力、超弦和M理论

目前，我们主要依靠两个理论来描述我们的宇宙：广义相对论和粒子物理学的标准模型。广义相对论通过弯曲的时空来描述引力，而标准模型则使用量子场来描述其他三种基本相互作用，其中场的激发可以被视为粒子。这两个理论有点相似，都采用了场的概念——广义相对论的时空曲率场和标准模型的量子场。

然而，这两个理论在本质上是不同的。广义相对论是一种经典理论，它预测系统会随着时间的推移进行确定性的演化。相反，标准模型是基于量子理论的，它的核心是叠加原理和概率解释。因此，这两种理论在宏观和微观层面上描述了两个截然不同的宇宙。

尽管广义相对论为我们的宇宙提供了一个出色的宏观描述，但我们现在必须考虑量子物理现象。这不是一个问题，我们可以将时空曲率的扰动描述为量子场，并将其波动解释为引力子——引力的量子载体，这种方法为引力的量子行为提供了一个框架。但是当我们进入到非常小的尺度上时，量子引力不再在这个基本尺度上起作用，引力似乎与量子世界不相容。

物理学家正在努力协调广义相对论和量子理论，以理解引力在这些极小尺度下的行为。这需要我们深入理论物理的抽象领域，寻找一个能够统一这两个理论的有前途的新框架。

在20世纪70年代，物理学家开始对一种名为超引力的理论产生了浓厚的兴趣。我们的时空在数学上展现出四种基本对称性：平移、旋转、反射和时间对称性，这些对称性在广义相对论中得到了体现。然而，理论物理学家提出了一种新的假设对称性——超对称性。当考虑到超对称性时，我们得到了超引力理论。

超引力与相对论非常相似，时空可以弯曲产生有趣的结构，甚至可以在没有形成黑洞的情况下产生奇点。此外，物理学家还探索了在具有额外维度的高维宇宙中超引力的可能性。这导致了对具有额外空间维度的黑洞的一般化研究，这些额外维度构成了被称为“膜”的扩展物体，它们可以拥有质量和电荷。

尽管超引力理论在某些方面是超对称的，但当我们探索接近普朗克长度的尺度时，该理论仍然会崩溃。在1980年代，物理学家提出了一种革命性的新理论，这个理论假设宇宙中的所有基本粒子实际上都是由微小的振动能量带——即“弦”——组成的。因为它也利用了超对称的概念，所以我们称之为超弦理论。