四维时空
我们生活在一个四维时空内，对于一个四维生物而言，我们很难想象四维之外的维度。我们所生活的空间具有三个维度，即所有立体的物体都具有长度、宽度和高度这三个基本属性。这三个基本属性实际上就是空间坐标，我们可以在这个空间内自由活动。打个比方，一条直线是一维的，而一幅画则是二维的。如果一个物体同时具有了长度、宽度和高度，就是三维的。
如果我们生活在一维世界中的话，那么组成这个世界的一切将会是一条线段，也就是说物体只有长度而没有其他维度。不过，在我们的地球上根本无法找到只具有一维的物体。
一条线段是由两个点和一条线组成，如果在不同的方向又出现了两个顶点，那么我们把这四个顶点用直线连接起来，就会出现一个二维物体，例如正方形。这时，物体已经具有了宽度。如果人只生活在一个二维的空间中，那么每个人都像纸人一样没有高度。
三维空间的出现需要有高度。当二维的正方形变成三维的正方体后，它的四个顶点就会翻一倍，变成八个顶点，然后用直线连接起来，变成了一个正方体。
在现实生活中，除了空间维度之外还存在着时间维度。如果没有时间维度的存在，我们所生活的世界将会变得混乱起来。不过在时空的四个维度中，时间维度相比空间的三个维度较为特殊，因为在时间维度中我们只能朝着一个方向运动，只能向前，不能回到过去。但是在空间的三个维度中，我们则可以朝着任何方向运动。
对于空间三维度我们还是能够想象的，例如一个立体的正方体。但是，四维的时间是什么样子的呢？时间也有形状吗？爱因斯坦的相对论告诉我们，时间与空间并不是相互独立存在的，它们彼此纠缠在一起。也就是说，时间和空间的存在不仅不能独立于宇宙，而且不能相互独立，甚至可以说四维时空是构成真实世界的最低维度。所以，人们讨论空间弯曲的时候也会涉及时间的弯曲。
当一个具有三维空间的正方体拥有了第四维之后，它的形状和运动轨迹都会发生变化。不过，这种变化后的形状对于我们的想象力来说十分困难。
一个四维的超正方体必须有16个点和32条边（原来的12条边加上新位置的12条边，还有因为连接新的点所出现的8条边）。
当我们把一个三维的正方体展开成为一个二维的平面时，就会看到6个正方形。也就是说，一个正方体是由6个正方形组成的。这是三维正方体展开后的样子。
当一个四维的超正方体展开后，就会变成一个由八个正方体组成的样子，相当于三维正方体展开后的立体形状。那么，四维时间的形状到底是什么呢？作为一个生活在四维空间的生物，这是一个非常难以想象的形状。
不过，这种情况对于我们人类来说很正常。因为严格意义上来说，我们是一种三维半生物。第四维代表的是时间，但是这种时间却只能从过去向未来的延伸，而不能反过来。
五维空间
关于五维空间的概念，是一位女教授提出的，她的名字叫做丽莎·兰道尔。兰道尔是哈佛大学的教授，她曾经在实验室内做过一个关于核裂变的实验。在这个实验中，兰道尔发现了一个神奇的现象，那就是一颗微粒竟然离奇地消失了，而且消失得无影无踪。于是，兰道尔开始思考微粒到底跑到哪里去的问题。最终，兰道尔提出了一个大胆的新猜想，那就是在我们所生存的世界中存在着一个人类所看不到的第五维空间。爱因斯坦的广义相对论提出了四维时空，即在人类生存的三维空间上加上时间轴。如果兰道尔的猜想是正确的，那么她将成功地挑战爱因斯坦。
不过也有人解释说，即使真的存在五维空间，那兰道尔也不是在挑战爱因斯坦。兰道尔只是把爱因斯坦的四维时空理论进行了一些延伸而已。而且科学家认为，我们研究多维空间的目的是将我们现在所知道的力都统一起来，比如电磁力和引力。因为在我们这个维度的空间中，各种力的表现形式都不同，说不定在更高维度的空间中就会变成表现相同形式的力。
如果兰道尔的猜想是正确的，我们为什么会感觉不到五维空间的存在呢？兰道尔认为，这是因为五维空间的维度非常微小，只有当物体够小时，才可以感觉得到，例如微粒。
那么五维具体是指什么呢？如果说四维时间是由三维运动构成的，那么五维空间就是由四维时空运动构成的。第五维空间事实上就是一个时间平面。也就是说，一个五维空间的物体，可以跨越不同的时间轴线，可以从过去到未来，也可以从现在到过去。五维空间物体的时间运动比我们四维生物要自由得多。对于一个四维生物而言，我们只能观察到五维空间任意一条时间轴线上的一部分。
量子力学——不确定的微观世界
量子力学是物理学界的三大支柱之一，也是现代科学起源的基础，例如粒子物理学、化学、宇宙学、分子生物学、地质学等都建立在量子力学的基础上。如果没有量子力学的理论基础，那么我们就不可能使用电脑、DVD播放机和数码相机，因为这些都需要半导体和现代电子，而半导体和现代电子则仰仗于量子力学。
在了解量子力学之前，我们应该先对“量子”这个名词加以简单的解释。所谓量子，是指构成现实事物的微小能量和物质。也就是说，量子力学描述的是一个微观世界，所有的物质都是由基本量子构成的。人类想要观察这个微观世界，就必须借助特殊的仪器，不然仅凭我们的生理机能，根本无法观察到物质和光的量子本性。因为量子本性的尺度太小了，即使使用高分辨电视或电脑显示器的像素也无法观察到那么微观的结构与运行规律。
丹麦物理学家尼尔斯·玻尔是量子力学的先驱，同时他还是第二个相信量子假说的物理学家。玻尔之所以对量子力学这么感兴趣，是因为他对原子的神秘性质十分好奇。在19世纪的时候，有关原子的概念十分模糊，也没有原子方面的具体研究。所以，大多数科学家根本不相信原子的存在，毕竟没有现实基础的理论很难得到人们的支持。即使有科学家相信原子的存在，也总是把原子和分子混淆。事实上，分子是原子的合成物。
大多数人之所以会有这样的想法，是因为原子的内部是一个奇怪的地方。如果我们从原子中质子的角度去观察原子的内部结构，只会看到空虚，即使电子距离我们很近，我们也不会轻易发现电子的存在，因为那是无法觉察到的微小迹象。
在19世纪末期的时候，人们已经掌握了正确测量原子属性的方法。到20世纪初期的时候，原子的真正属性和构成才被广泛地接受。不过那个时候，大多数科学家都认为原子是不可分割、不可改变的东西。
后来人们开始用放射线和光谱线（光被发出和吸收的特定频率）来测量和研究原子的属性，结果发现原子是可以分割的。进而，汤姆逊又发现了电子，并认为电子是原子的组成部分。原子被分割成核子和电子。其中，核子位于原子的中央，体积只占据原子的一小部分，但是质量却几乎是原子的全部。而电子则环绕在核子的周围。这一发现说明，原子是可以再分的，并不是不可分割的。就目前的研究状况，电子是基本的、不可再分的。
至于原子核，最初人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的质子的粒子组成的。而质子则被认为是组成物质的基本单位。后来，詹姆斯·查德韦发现，原子核还包含着中子，其中中子所具有的特性和质子一样，同样大的质量且不带电荷。
詹姆斯·查德韦的这一发现获得了诺贝尔奖，并从一名普通的剑桥大学员工荣升为剑桥某学院的院长。但是后来，詹姆斯·查德韦与其他人发生了严重的争执并离开了剑桥大学。
詹姆斯·查德韦的这一发现让人们接触到了更加微小的世界，但是这并不意味着质子和中子就是组成物质的最基本粒子。科学家通过质子和另外的质子或电子高速碰撞的实验发现，质子和中子并不是不可分割的，事实上它们应该是由更小的粒子组成的。
关于这些更小的粒子，默里·盖尔曼给它们起了一个名字，即“夸克”。一个质子或中子由三个夸克组成，每个夸克各有一种颜色。
夸克理论认为，所有已知粒子可以分成两族。一族由夸克组成，能够“感知”到只在夸克之间起作用的强力，之所以叫做强力是因为它的作用非常强大，同时也被称作强子。强子的质量比电子大许多，几乎可以与质子的质量相比，而质子的质量通常比电子要大2000倍。另一族被称作轻子，它们不能感知强力，但是会参与以所谓弱力做媒介的相互作用。
总的来说，作为量子力学的研究对象，粒子具体是指以自由状态存在的最小物质组成部分。也就是说，粒子并不特指原子、中子、质子等实际存在的具体物质，而是这种具体、微小物质的统称，是一种模型概念。
在人类对微观世界的研究中，最早发现的粒子是原子、电子和质子。后来有人又发现了中子，并且确认原子是由电子、质子和中子组成的。这些微小物质与原子比较起来，更为基本，所以被当时的人们认为是基本粒子。但是，真正名副其实的基本粒子是轻子，因为轻子不由任何别的东西构成。而量子力学就是研究微观粒子运动规律的学科。
虽然爱因斯坦的相对论可以解决许多问题，但并不能解决所有的问题。量子力学则主要探索一些令人费解的现象，来解释经典物理学所不能解释的实验结果。
不过，在大多数科学家看来，量子力学的观点未免有点儿太激进了，因为量子力学所提出的观点与大家熟悉的传统观念之间的差异太大。就连薛定谔与爱因斯坦这样的理论先驱，也从未真正接受过量子力学的思考方式。
量子力学理论在许多人的心中不仅神秘而且难以理解。因为在这个理论中，一个粒子可以同时存在于世界的几个地方，并且一个粒子可以立刻从一个地方移动到另一个地方。
作为量子力学的杰出贡献者，玻尔提出了电子轨道量子化的概念。玻尔认为，原子核具有一定的能级，当原子核吸收能量的时候，原子就会处于活跃的更高能级或者激发态；当原子核释放出能量的时候，原子就跃迁至更低能级或基态。也就是说，原子能级是否发生跃迁，关键在于两能级之间的差值。
在玻尔的理论体系中，已经涉及了随机性与确定性之间的矛盾。玻尔认为，判断一个点在何时何地发生自动跃迁是不可能的，因为它更像是一个随机的过程。
物理学的发展经过了伽利略、牛顿、爱因斯坦等成百上千位科学家的共同努力，才构建起了物理定律，这个定律适用于整个宇宙，大到星系，小到原子，所有事物都在物理定律的约束下规规矩矩地运转着。这些物理学规律就好像爱因斯坦所说的：“上帝不掷骰子。”也就是说，在宇宙中不论是宏观世界还是微观世界，一切发展都是井然有序的，是有规律的。但是玻尔的观点却是：“上帝掷骰子。”也就是说随机性是世界的基石。当电子出现在某个地方的时候，它是一个随机的过程，并不需要规律来束缚它。
如果宇宙是按照物理规律来发展的，那么生命的出现就成了必然；如果宇宙的发展是随机性的，那么生命只是一场巧合。如果把组成宇宙的基本粒子比作人类所发明的文字，那么一个由基本粒子构成的宇宙就类似于由文字所组成的伟大作品一样。
如果说上帝不掷骰子，那么宇宙的发展就有一种无形的规律在支配着，就好像一个有意识的人写出了一部伟大的文学作品一样。如果上帝掷骰子，那么宇宙的发展就是随机的。就好像一个完全不懂语言的猴子在键盘前不停地敲击键盘上的字母，最终在随机排列中也写出了一部伟大的文学作品。
海森堡的不确定性原理
海森堡是一名德国人，在“二战”期间参与过原子弹的制造。在1939年“二战”爆发后不久，德国就开展了原子弹研究计划。当时全世界只有德国一个国家的军事项目中存在原子弹研究。虽然当时的德国被希特勒下令赶走了大批犹太科学家，但是依然保留了一批优秀的德国科学家，这些科学家被希特勒聚集起来研究原子弹。
在原子弹还没有研究出来的时候，德国在战场上的局势已经不容乐观，即将面临失败。盟军在诺曼底登陆之后，美国士兵就开始在德国境内大肆搜寻研究原子弹的科学家。虽然海森堡提前离开了研究所，但最终还是被美国士兵抓住了。
随后这些参加原子弹研究的德国科学家被秘密送往英国，并被关在剑桥附近的一栋房子里。在这里，科学家们继续探讨有关原子弹的制造计划。而这些谈话都被美国安装的窃听器获取。大约过了三个月，就传来了美国往日本广岛长崎投放原子弹的消息。
在第二次世界大战正式结束后，被软禁起来的德国科学家都得到释放。但是他们并不承认技不如人。在原子弹爆炸后不久，海森堡等人还起草了一份备忘录以表明德国之所以没有制造出原子弹，并不是德国科技不行。那份备忘录的大致内容如下：1.原子裂变现象是德国人哈恩和斯拉特斯曼在1938年发现的。2.德国的原子弹研究小组是在“二战”爆发后才成立的。3.当时的德国之所以没有制造出原子弹是因为资源不足，尤其是重水的匮乏。
后来，海森堡还揭示了一个原因，那就是德国科学家的有意怠工。因为这个原子弹研究小组的科学家早就知道了原子弹所引发的道德问题，身为一个科学家，他们并不希望世界上存在原子弹这样杀伤力巨大的核武器。但是他们是德国人，对德国有应尽的义务，所以不得不去工作。由于带着矛盾的心情工作，所以很自然地就出现了消极怠工的现象。
不过有的人认为，德国之所以没有制造出原子弹，是海森堡在计算中出现了一个低级的错误。关于这一点，有人认为海森堡是故意的，因为这样可以阻止原子弹的出现。在“二战”结束后，海森堡受到了西方科学家的普遍厌恶。有一次，海森堡去拜访美国把原子弹制造出来的科学家，但是却遭到了拒绝握手的待遇。为此，海森堡大感委屈，因为他认为那些把原子弹制造出来的科学家才应该受到真正的道德谴责。
身为玻尔的弟子之一，海森堡十分赞成玻尔提出的随机性量子理论。同时，海森堡也提出了自己的理论，那就是不确定性原理。不确定性是指量子力学中量子运动的不确定性。由于观测对某些量的干扰，使得与它关联的量不准确，而这也是不确定性的根源。
量子力学的理论告诉我们，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在应该是量子态。真实的状态还被划分为隐态和显态两种，这是测量造成的结果，而且只有显态才符合经典物理学中的实在含义。
微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上，这一特性已经由远隔粒子关联实验的结论证明了。量子力学在研究基本粒子的运动规律时会把基本粒子所处的环境看做一个整体，并且不允许把世界看成彼此分离或独立的部分组成。也就是说，量子力学虽然研究的是微观世界，但是却看重宇宙的整体联系。
在量子力学中，不确定性具体是指测量物理量的不确定性。因为在一定的条件下，一些力学量只能处在它的本征态上，所表现出来的值是分立的。这样一来，物理学家在不同的时间进行测量，就有可能会得到不同的值，进而出现值的不确定性。也就是说，当人们测量一些力学量的时候，可能得到了这个值，也可能得到了那个值，所得到的测量结果永远不是唯一确定的。只有在这个力学量的本征态上进行测量，才能得到一个确定的结果。
在经典物理学的理论中，物理学家可以利用质点的位置和动量精确地描述一些力的运动。如果还知道了加速度，那么物理学家甚至还可以预言接下来质点在任何时刻的位置和动量，进而描绘出运动轨迹。
在量子力学所描述的微观物理学中，不确定性的原理告诉人们：如果想要更准确地测量出质点的位置，那么测量的动量就会变得极为不准确。也就是说，物理学家是不可能同时准确地测量出一个粒子的位置和动量的，而位置和动量恰恰是描绘粒子运动的基本要素。
弦理论与超弦理论
在物理学的发展上，爱因斯坦的相对论可以说是一座里程碑。相对论的出现让物理学家对引力场有了一个更深刻的认识，并且把有关引力的计算精确到了让人难以置信的地步。因此，相对论成了物理学家预言所有引力系统演变的工具，甚至可以预言整个宇宙的演化历程。但是，爱因斯坦的相对论再成功都不可能是引力的最终结论。
当遇到了极端微小的距离时，相对论的理论就不再适用。因为在极端微小的尺度上，只有新的引力范式才可能计算出精准的数据。而物理力学家们相信，这一范式必定是弦理论。弦理论是理论物理的一个分支学科。弦理论的一个基本观点是，组成宇宙和自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”。这个所谓的弦包括有端点的“开弦”，圆圈状的“闭合弦”。当基本单元弦在振动和运动时，就会产生各种各样不同的基本粒子。
如果弦理论是正确的，那么这种理论就会和广义相对论、量子力学和粒子物理一起解释了宇宙中所存在的一切景象。广义相对论比较适用于大质量的延伸物体，也就是研究宏观世界中的物理现象，但是想要研究引力对原子的影响，那么相对论就变得无能为力了。所以物理学家在研究原子的运动状况时，可以完全忽略掉相对论，只有这样才有利于研究。这个时候，量子力学的理论就变得十分关键。
在弦理论中，所研究的对象并不是占据空间单独存在的基本粒子，而是一维的弦，这些弦或许有端点，或许会任意连接成为一个闭合的圆圈形。
弦理论告诉我们，宇宙中的万物是由基本粒子构成的，而那些基本粒子则是由弦的振动构成的。也就是说，弦才是宇宙中最终的根本存在。每一个基本粒子的出现都是一个基本弦的振动，而弦振动的特征则决定了粒子的属性，例如粒子的质量和电荷等。因为弦的振动方式有许多种，所以会产生不同类型的粒子。
后来，施瓦茨在弦理论的基础上又提出了超弦理论，不过这个超弦理论只有在十维中才有意义。弦本身就是沿着一个空间维度进行延伸的，而且还会穿越时间。一个点状的物体，由于其在空间维度上没有延伸，所以它的空间维度是零，因此点状的物体可以在三维的空间中自由移动。而一根弦就像一条直线一样，具有一个空间维度，因此弦可以在更多维度的空间内进行自由移动。具体的维度应该是十维度，其中还包括时间这个维度，这是施瓦茨计算得出的结果。
那么，超弦理论为什么要在弦理论前面加上一个“超”字呢？这是因为施瓦茨等人认为每个基本粒子必须有一个超对称的伙伴，如电子对超电子，于是，弦理论就有了它的伙伴——超弦理论。在超弦理论中，任何基本粒子都不再是一个点，而是一根闭合的弦。当弦发生振动的时候，会分别对应宇宙中不同的粒子。
不过，施瓦茨等人研究出的超弦理论受到了巨大的考验。因为他们所研究出的超弦模型只有在10个维度中才有可能是正确的，也就是说超弦理论并不适用于每个维度。
而且面对这种先进的理论，作为四维时空生物的我们更加难以相信。毕竟，想象四维具体是什么样子的就十分困难，更别说接受一个十维宇宙了。当时，施瓦茨等人甚至还成为了许多人的笑柄。有一次施瓦茨在乘坐电梯的时候，就被一个同事取笑道：“施瓦茨，请问你今天在多少个维度中生活？”
后来，不知道为什么，大多数物理学家都对超弦理论产生了巨大的兴趣，并且投入研究。个别物理学家甚至觉得超弦理论可以解决宇宙的终极之谜，如果自己能研究出一套完备的超弦理论，不仅可以垂名青史，还可以获得诺贝尔奖。当有人批评他的这种想法时，他却说：“超弦理论的权威研究者虽然说目前这个理论还只处于摇篮期，但是我觉得他们是在胡说八道。”除此之外，还有物理学家对这种热衷超弦理论现象的嘲讽：“对于超弦理论的研究，如果不是哲学家和宗教学者的任务，那么至少应该是数学家的工作。”
总的来说，超弦理论被人们接受是十分困难的。在弦理论刚刚提出的时候就遭到了打压，最初的几个预言都被实验数据无情地推翻了。当大多数研究者放弃的时候，施瓦茨等人依然在坚持研究。通过长达十年的研究，施瓦茨等人发表了有关超弦理论的论文，并且解决了之前理论中所存在的瑕疵，向世人证明超弦理论有能力成为万物理论。
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