目前，我們主要依靠兩個理論來描述我們的宇宙：廣義相對論和粒子物理學的標準模型。廣義相對論通過彎曲的時空來描述引力，而標準模型則使用量子場來描述其他三種基本相互作用，其中場的激發可以被視為粒子。這兩個理論有點相似，都采用了場的概念——廣義相對論的時空曲率場和標準模型的量子場。

然而，這兩個理論在本質上是不同的。廣義相對論是一種經典理論，它預測系統會隨著時間的推移進行確定性的演化。相反，標準模型是基于量子理論的，它的核心是疊加原理和概率解釋。因此，這兩種理論在宏觀和微觀層面上描述了兩個截然不同的宇宙。

盡管廣義相對論為我們的宇宙提供了一個出色的宏觀描述，但我們現在必須考慮量子物理現象。這不是一個問題，我們可以將時空曲率的擾動描述為量子場，并將其波動解釋為引力子——引力的量子載體，這種方法為引力的量子行為提供了一個框架。但是當我們進入到非常小的尺度上時，量子引力不再在這個基本尺度上起作用，引力似乎與量子世界不相容。

物理學家正在努力協調廣義相對論和量子理論，以理解引力在這些極小尺度下的行為。這需要我們深入理論物理的抽象領域，尋找一個能夠統一這兩個理論的有前途的新框架。

在20世紀70年代，物理學家開始對一種名為超引力的理論產生了濃厚的興趣。我們的時空在數學上展現出四種基本對稱性：平移、旋轉、反射和時間對稱性，這些對稱性在廣義相對論中得到了體現。然而，理論物理學家提出了一種新的假設對稱性——超對稱性。當考慮到超對稱性時，我們得到了超引力理論。

超引力與相對論非常相似，時空可以彎曲產生有趣的結構，甚至可以在沒有形成黑洞的情況下產生奇點。此外，物理學家還探索了在具有額外維度的高維宇宙中超引力的可能性。這導致了對具有額外空間維度的黑洞的一般化研究，這些額外維度構成了被稱為“膜”的擴展物體，它們可以擁有質量和電荷。

盡管超引力理論在某些方面是超對稱的，但當我們探索接近普朗克長度的尺度時，該理論仍然會崩潰。在1980年代，物理學家提出了一種革命性的新理論，這個理論假設宇宙中的所有基本粒子實際上都是由微小的振動能量帶——即“弦”——組成的。因為它也利用了超對稱的概念，所以我們稱之為超弦理論。

在超弦理論中，弦通過相互作用、合并或分裂來展現其多樣性。類似于吉他弦的振動產生不同的音符，在宏觀尺度上，這些弦的振動模式表現為我們所熟知的粒子。最令人興奮的發現是，超弦理論中的一種振動模式與引力子的行為完全一致，這是第一次有理論允許我們以基本方式描述量子引力。

超弦理論很有前景，但它對宇宙施加了一些限制：時空不是四個維度，而是十個維度，還有六個我們尚未檢測到的附加空間維度。這個理論還進一步細化了可研究的弦的類型，包括開放弦和閉弦，后者能夠自行卷曲形成環狀結構。在這些前提下，研究人員發現，超弦理論實際上只允許五種不同的理論模型存在。

如果我們希望用超弦來描述我們的宇宙，這五個模型是唯一的選擇，那么這五個模型中的哪一個版本真正描述了我們的宇宙？讓我們暫時把這個問題放在一邊，回到超引力。人們可能會認為超弦理論和超引力是兩個完全獨立的模型，但實際上它們在大尺度上有一個密切的聯系，兩者都描述了一個具有引力的超對稱宇宙。事實上，當應用于具有 10 維的宇宙時，超引力被證明是超弦理論的近似，這也意味著超引力的膜也存在于超弦的世界中。

超引力理論的另一個引人注目的特點是它可以容納多達11個維度，比超弦理論多出一個維度。在這個11維的超引力模型中，宇宙的所有常數都是由數學確定的。與超弦理論的五種可能選擇不同，超引力提出了一種新的獨立理論，至少可以近似地用11維描述世界。

所以到1990年代初，我們就有了六個可能的數學模型來描述宇宙，其中的五個來自上面提到的10維超弦理論，而剩下的一個來自11維超引力。在這一時期，一些研究人員，尤其是愛德華·威滕，開始揭示這些理論之間存在著微妙而復雜的對偶性網絡。

這些對偶性不僅將各個模型聯系起來，還允許理論之間的轉換，使得在一個模型中難以處理的計算可以轉換為另一個模型中的簡化版本。這些對偶性的發現極大地豐富了我們對宇宙的認識，使得先前難以理解的物理現象得以研究。大量的研究也導致了AdS/CFT對應關系的發現，根據該對應關系，某些宇宙可以被描述為它們的全息圖。

1995年，威滕提出了一個激動人心的設想：存在一個統一的基本理論，這個理論被他稱為M理論，它可能是上述六個模型的更深層次的表述。M理論預測了一個包含膜的11維超對稱宇宙，這個理論的復雜性與其他試圖統一引力的理論一樣，至今仍然是物理學中的一個巨大挑戰。雖然M理論尚未得到實驗證據的直接支持，但它提供了一個框架，允許宇宙具有多種不同的時空和幾何形狀。目前，物理學家仍在探索哪一種配置最能描述我們所在的宇宙，這一探索可能會揭示宇宙最根本的秘密。