什么是实在
托勒密早在公元150年左右就提出描写星体运动的模型，这确实是一个不同凡响的著名例子。托勒密的研究发表在一部长达13册的众所周知的论文——《天文学大成》上，详细地解释了为什么会认为地球是一个球形并且静止的宇宙中心，它的大小和星空的距离相比是小到可以忽略不计的。
后来的阿里斯塔克也提出了日心模型，从亚里士多德时代开始，大多数希腊有教养的人都信仰地球就是宇宙的中心。在托勒密模型中，地球是个静止的球体，而其他的行星和恒星围绕着它进行着非常复杂的轨道运行，也就是周转圆来运行的。
由于人们从来没觉得脚下的地球是在运动着的（除了地震或者激情澎湃的时刻），所以托勒密的这个模型在当时看来无疑就是自然的、正确的。而由于后来发展起来的欧洲科学源于传承下来的古希腊科学，是以其为基础发展起来的，于是亚里士多德和托勒密的观念就成为了大多数西方思想的基础。而托勒密的宇宙模型更是被天主教会用来当做正式的教义长达14个世纪之久。而一直到1543年，才有了哥白尼在他的著作《天体运行论》中提出的另外一个模型。虽然哥白尼早已经花了几十年来彻底研究他的理论，但该书还是在他逝世的那年才得以正式出版。
和大约早他17世纪的阿里斯塔克一样，在哥白尼的模型中，将太阳描写成了处于静止的状态，而行星则以圆周轨道围绕着它运转。尽管这个思想并不算是新颖的，但是这种思想的再次出现却依旧遭到了当时社会激烈的抵制。哥白尼的模型被认为和《圣经》相抵触，尽管《圣经》从未清楚地说明行星是围绕着地球运动的。
而自从柏拉图以来的哲学家们长期都在争议着实在的性质这一问题。经典科学便是基于这样的一个信念：存在一个真实的外部世界，其性质是确定的，并与感知它们的观察者无关。根据经典科学可以知道，物体存在并拥有着诸如速率和质量等物理性质，同时这些性质还具有明确定义的值。在经典科学的观点里，我们的理论是试图去描述那些物体和其具有的性质，并且将我们测量到的结果和我们的感觉与之对应。但因为无论是观察者还是观察的对象都是客观存在于世界上的部分，因此它们之间具有的任何区别都是毫无意义的。换言之，就是如果你看到一群斑马在停车场争夺一块地方，那是因为真的有一群斑马在停车场争夺那个地方。所有其他正在看的观察者都会测量到同样的性质，同时不管是不是有人在看着这群斑马，这群斑马都具有那些性质，这便是在哲学中被称为实在论的信仰。
或许实在论确实是一个十分诱人的观点，但正如我们将在下面看到的一样，一旦我们运用了有关现代物理的知识，那么就会使得所有为实在论而进行的辩护变得十分困难。例如，根据精确描述自然的量子物理原理，除非并且直到一个粒子的位置或速度被一位观察者测量，这个粒子还是既不拥有明确的位置也不拥有明确的速度。因此说测量之所以给出一定的结果，是因为被测量的量在测量的那个时刻具有那个值是错误的。事实上，在某种情形下，单独的物体甚至并没有独立地存在，而仅仅是作为众多系统中的部分而存在着。并且如果一旦一种被称为全息原理的理论被我们证明是正确的话，那我们以及我们所处的四维世界很可能只是一个更大的五维时空在边界上的影子。在那种情形下，我们在宇宙中的地位就有点儿类似于鱼缸中的金鱼。
制造模型不仅在科学中需要，在我们的日常生活中也往往需要。依赖模型的实在论不仅适用于科学模型，还适用于我们所有人为了解释并理解日常世界而创造的有意识或者下意识的心理模型。我们没办法将观察者，即我们自己从我们对于世界的认识中完全排除掉，而认识是通过感觉过程以及思维和推理方式产生的，因此在我们的理论中，以我们的认识为基础而展开的一系列观测并不是直接的，而是由一种类似透镜的事物塑造而成的。
我们感觉对象的方式对应着依赖模型的实在论。在视觉中，人们的大脑从视觉神经接收一系列信号，但那些信号并不会直接就构成我们从电视那里接收的那类图像。在视觉神经连接视网膜之处有一个盲点，还有人眼的视场具有高分辨率的部分仅处于视网膜中心周围大约1度的狭窄视角中，这个范围的角度就和我们伸出手臂时大拇指的宽度一样，因此送入我们头脑中的未加工的数据就是中间有个洞的模样古怪的图像。幸运的是，人脑可以很好地处理这样的数据，将两只眼睛的输入结合在一起，假定邻近位置的视觉性质类似，再填满缝隙并应用插入技术。此外，大脑从视网膜读到二维的数据排列并由它创生三维空间的印象。换言之，大脑建立心理图像或模型。
在建立模型方面，我们的大脑是如此称职，如果我们配上了一种能将眼睛之中的图像上下颠倒的眼镜，我们的大脑就会在短短的一小段时间后改变模型，让我们能够再次看到在正确方向上的东西，而之后摘下眼镜的话，虽然在一段时间内我们看到的世界会是上下颠倒的，但不久之后，我们的大脑就会再一次适应。这表明，当一个人说“我看到一把椅子”的时候，他的意思仅仅是他利用椅子散射出来的光建立了一个椅子的心理图像或模型。如果模型上下颠倒，那么在他坐到椅子上去之前，他的脑子就会改正那个模型。
依赖模型的实在论解决和避免的另一个重要的问题是存在的意义。假如我们走出了房间而看不见桌子，那么我们何以得知那张桌子仍然存在呢？这样说来，那些我们看不见的东西，例如电子或者是构成质子和中子的那种名叫夸克的粒子的存在是什么意思呢？人们可以拥有模型，在该模型中，当人离开的时候，桌子就消失了，而当人再返回的时候，桌子又会在同一个位置上出现，而这无疑是十分笨拙的。并且如果人在外面时，房间内发生了一些事情，比如说天花板落下怎么办呢？在人离开房间时桌子消失的模型下，能够解释下次进入的时候在天花板碎片之下损毁的桌子重现的事实吗？相比之下，桌子留在原地不动的模型显得要简单许多，并与观测相符，这就是人们能够接受的事情。
1897年，英国物理学家J。J。汤姆孙在剑桥大学的卡文迪许实验室发现了电子。他是利用在真空玻璃管中的电流来进行实验的，在现在，我们将他所做的这个实验称之为阴极射线现象。在实验里，他得出了一个大胆的结论：神秘的射线其实都是由更加微小的“微粒”构成，同时这种微粒还是构成原子的物质。在当时，原子还被认为是物质不可分割的最小单位。虽然汤姆孙并没有能够真正地看到“电子”，并且他的实验也没有直接、清晰地证明他的观测，但在所有的从基础科学到工程的应用中，汤姆孙证明的这个模型都是十分关键的，直到现在，世界上所有的物理学家都确信电子存在，即从来没有人能真正的见过它。
依赖模型的实在论还能够为讨论我们下面的这些问题提供一个框架：如果世界是在有限的过去诞生的，那么在世界诞生之前究竟发生了什么？一位早期的基督教哲学家圣·奥古斯丁说，这个问题的答案不是上帝正为问这个问题的人们准备地狱，而是时间本身就是上帝创造的世界的一个性质，时间在世界诞生之前并不存在，他还相信宇宙诞生发生于过去并没有那么久的时刻。这是一个可能的模型。尽管在世界上存在许多证据能够证明地球的年龄十分的古老，（它们被放在那里是用来愚弄我们的吗？）但那些坚持创世纪中的叙述是真实的人非常认同和喜欢圣·奥古斯丁提出的这个模型。此外，人们还拥有着一个不同的模型，在这个模型中，时间往回延续大约137亿年就到达了大爆炸时期。该模型解释了包括历史和地学的证据在内的大部分我们的现代观测，它是我们拥有的对过去的最好描绘。第二种模型能解释化石和放射性记录，以及我们接受来自距离我们几百万光年的星系来的光的事实。因此，第二个模型，大爆炸理论无疑比第一个显得更有用。尽管如此，却还是不能说哪一个模型比另一个更真实。
在20世纪20年代，绝大多数的科学家们都相信宇宙是静止的，或者在总的尺度上保持着不变。虽然后来的埃德温·哈勃于1929年发表了他的观测结果，显示出宇宙正在膨胀，但在当时，他的想法却并没有被人们接受。哈勃观察到的是由星系发射出的光，并没有直接观察到宇宙在膨胀。那些光携带特征记号，或基于每个星系成分的光谱。如果星系相对于我们运动，光谱就会改变一个已知的量。因此，哈勃由分析远处星系的光谱能够确定它们的速度。他预料会找到离开我们运动的星系数目与靠近我们运动的星系一样多，可是最后结果却和预料相反，他发现几乎所有的星系都离开我们运动，而且处在越远的地方，它们就越快地运动。于是哈勃得出一个结论：宇宙正在膨胀。因为当时的其他人都在坚持早先的模型，试图在稳态宇宙的这个框架中解释哈勃的观测结果。例如，加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基提到，也许因某些还未知的原因，当光线穿越巨大距离时慢慢地损失能量，这种能量减小会对应于光谱的改变。兹威基说到这种改变能够模拟哈勃的观测。因此，在哈勃之后的几十年间，许多科学家都还在继续坚持着稳态理论，但最自然的模型却仍然还是由哈勃提出的膨胀宇宙模型，而在现在，它已经被人们接受。
在探寻制约宇宙定律的这些过程中，我们表述过了许多经典的、具有重要意义的理论或模型，诸如四元素理论、托勒密模型、热素理论、大爆炸模型等。每个理论或模型都改变着我们对实在和宇宙的基本成分的概念。例如，考虑光的理论中，牛顿认为光是由小粒子或者微粒构成，这就解释了为什么光会沿直线旅行，同时牛顿利用这个观点来解释为什么当光从一个媒质进入另一个媒质时，比如从空气进入玻璃或者从空气进入水时会产生折射的现象。
在牛顿环中，亮环位于离开中心的距离为该处透镜和反射板之间的分离使得从透镜反射的波和板上反射的波相差整数（1，2，3，……）倍的波长（波长是一个波的波峰或波谷和下一个波峰或波谷之间的距离。），产生了相长干涉。另一方面，暗环位于离开中心的距离为该处的两个反射波之间相差半整数（1/2，3/2，5/2，……）倍的波长，引起相消干涉——从透镜反射的波抵消了从平板反射回来的波。
19世纪，这个被用来确认光的波动论还证明了光的粒子论是错误的。然而，在20世纪早期，伟大的科学家爱因斯坦就证明，用光粒子或量子打到原子上并打出电子可解释光电效应（现在用于电视和数码相机中）。这样，光就同时具有了作为粒子的行为和作为波的行为。
我们将在第五章中进一步讨论对偶性和M理论，但在这之前，我们将要转向量子论，量子论作为我们现代自然观基础的基本原理，它的作用不可忽视。我们将要特别关注那被称作是可择历史的量子论方法。按照可择历史的观点，宇宙并非仅具有单独的存在或历史，而是每种可能的宇宙版本在所谓量子叠加中同时存在，这听起来就像只要你离开房间桌子就会消失的理论般疯狂，然而在现在的情形下，这一理论已经通过了它所经受的所有实验的验证。
可以选择的历史
1999年，一组物理学家正在奥地利向一个障碍射出一长串足球状的分子。这些每个由60个碳原子组成的分子有时被称作巴基球，这个名字是因为建筑学家巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）曾做过那种形状的建筑物。富勒的短程线圆顶结构也许是目前世界上最大的足球状物体，但巴基球却是最小的。科学家瞄准的障碍实际上具有两道巴基球能通过的窄缝。在墙后面，物理学家放置了一个相当于屏幕的东西以检验和计数出现的分子。
如果我们用真的足球做一个类似的实验，我们就需要一位目标弥散但具有与我们选取的速率一致的发球能力的球手。我们将这个球手放在有两条窄缝的墙之前，在墙的另一边，我们平行地放张长网。球手射出的球多数都打到墙上被弹回，在墙的另一面出现两束高度平行的足球的流注。如果缝隙只比足球稍宽一些，每一束流注就会以扇形展开一些。
在科学思想诞生的最初2000年间，科学解释都是基于人们日常的经验和直觉之上。但随着我们的技术不断地在改善、可能观测的现象范围不断地在扩展，我们开始发现自然行为的方式和我们的日常经验，也包括我们的直觉越来越不一致，正如巴基球实验所显示的那样。那个实验不能被包括在经典科学框架中，而只能被囊括在我们称之为量子物理所描述的具有代表性的那一类现象之中。事实上，理查德·费恩曼曾在书中写道：“双缝实验包含了量子力学的所有秘密。”
在发现牛顿理论不足以描述在原子或亚原子水平上的自然现象之后，在20世纪的前期就发展和形成了量子物理的原理。经典物理的基本理论描述自然的力和物体对这些力如何反应，诸如牛顿的经典理论都是在反映在日常经验的框架这一基础上建立而成的。
而这些基于和日常经验完全陌生的框架上所建立的理论还能解释被经典物理如此精确地模仿的寻常经验吗？答案是能，因为我们以及我们周围都是复合结构，是由不能想象的大量的原子组成，原子的数量比我们所观察到的宇宙中的恒星数量还要多得多，而物体的组成部分——原子是服从量子物理原理的，人们可以证明，形成足球、大头菜和珍宝飞机，甚至构成我们的原子的确都能避免通过缝隙时绕射。但是，虽然日常物体的组成部分——原子服从量子物理，但牛顿定律还是依旧形成一个有效的理论，它还在非常精确地描述组成我们日常世界的组合结构如何的去行为。
1927年，贝尔实验室的实验物理学家克林顿·达维孙和勒斯特·泽默首次实现了双缝实验，他们研究一束电子如何与镍晶体相互作用，这是比巴基球简单得多的物体，就像电子的物质粒子能够像水波那样的事实是启示量子物理的一类惊人的实验一样。由于在宏观的尺度下人们不能观察到这一类的行为，长期以来，科学家仍然对刚好能够显示这种类波性质的某物可以是多大并且能够多复杂都感到非常好奇。如果可以利用人或者河马来演示这个效应的话，定会引起轰动的，但就像我们曾在前面说过的一样，一个物体越大，则其量子效应就越微弱、越不明显。所以，被关在动物园笼子里的动物们都不太可能以类波形式通过它们笼子的栅栏。可是尽管如此，实验物理学家们仍观察到了不断增大尺度的粒子的波动现象。科学家希望有朝一日使用病毒重做巴基球实验，病毒不仅比巴基球要大得多，同时它还被某些人认为是具有生命的东西。
另一个量子物理的主要信条就是由威纳·海森伯在1926年提出的不确定性原理。不确定性原理告诉了我们，对于我们同时在测量的一定数据，比如一个粒子的位置和速度的能力存在着一定的限度。根据不确定性原理，如果你将一个粒子位置的不确定性乘以它的动量（质量乘速度）的不确定性，其结果决不能比某一个称为普朗克常数的固定的量更小。这是个绕口令，但可以将其要点叙述如下：你把速度测量得越精确，你就只能把位置测量得越不精确。例如，如果你将位置的不确定性减半，你必须将速度的不确定性加倍。诸如和米、千克和秒等日常测量单位相比较，普朗克常数是非常小的，注意到这一点也很重要。事实上，如果以这些为单位，它的值约为6/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.由此，如果你将诸如质量为1/3千克的足球的宏观物体在任何方面都定位在1毫米之内，我们仍能将其速度测量到精度甚至远比每小时一千亿亿亿（1后面跟27个0）分之一千米高得多。那是因为，以这些单位测量，足球的质量为1/3，而位置不确定性为1/1000，两者都不足以负责普朗克常数的所有那些零，这样责任就落到速度的不确定性上了。但是电子在同样单位下具有质量0．000 000 000 000 000 000 000 000 000 001，所以对于电子，情况完全不同。如果我们测量一个电子的位置，其精度大约对应于一个原子的尺度，不确定性原理要求我们知道电子的速度，精确度不可能比大约正负每秒1000千米更高，这一点也不精确。
根据量子物理，不管我们得到多少信息，也不管我们的计算能力有多强，因为物理过程的结果都不能够毫无疑问地被确定下来，所以我们总是不能确定地做出准确的预言。相反，在系统给定的初始状态下，自然可以通过一个根本不确定的过程来确定它的未来状态。换言之，即便在最简单的情形下，自然也不会要求存在任何确切的过程或者实验的结果。更确切地说，自然重视允许拥有几个不同的可能结果，每一种结果具有确定能够实现的可能性。解述爱因斯坦的话，仿佛上帝以投骰子来决定每一个物理过程的结果，这个思想使爱因斯坦苦恼，因此，尽管他本人就是量子物理的创始人之一，但后来却也成为其批评者之一。
看起来量子物理似乎会削弱自然受定律制约的观念，但事实却并非如此，量子物理反而引导着我们去接受决定论的新形式：给定系统在某一瞬间的态，自然定律确定各种将来和过去的概率，而非肯定地确定将来和过去。尽管这不符合某些人的口味，但科学家却必须接受和实验相符的理论，而并非是他们自己脑海中先入为主的观念。
量子理论中的概率都是不同的，它们反映了自然中的最基本的随机性。自然量子模型中不仅包含有和我们日常经验相关的原理，也有和我们实在性的直觉概念相矛盾的原理。觉得这些原理实在奇异并难以相信的人会有许多知音，其中更是有爱因斯坦甚至费恩曼这样伟大的物理学家，我们接下来很快就要介绍后者对量子论的描述。事实上，费恩曼有一次曾写道：“我以为我可以有把握地说，没人能理解量子力学。”但是量子物理和观测符合，它从未被检验失败过，需要说明的是，量子力学所受到的检验比科学中的任何其他理论都要多得多。
20世纪40年代，理查德·费恩曼令人惊讶地洞察出了微观量子世界和牛顿世界之间的差别。费恩曼对干涉条纹如何在双缝实验中产生的问题极为好奇。回忆当我们在双缝都打开射出分子时，发现的条纹不是我们对做两次实验所发现的模式之和，一次只让一道缝隙打开，另一次只让另一道缝隙打开。相反地，当双缝都打开时，我们找到了一系列亮暗条纹，后者是没有粒子打到的区域。那就意味着，如果比如只有缝隙1打开时，粒子就会打到黑条纹的地方，而当缝隙2也打开时，就不打到那里去。看来仿佛是粒子在从源到屏幕的旅途中的某处得到了两道缝隙的信息，这样的行为和在日常生活中事物所表现的行为方式彻底不相同，这就好像在日常生活中一个球穿过一道缝隙的路径不受另一道缝隙情形的影响一样。
根据牛顿物理，假设不用分子而用足球来进行实验运行的方式，每个粒子都独自遵循着一条从源到屏幕的明确定义的路径，在这个图像中就没有粒子在途中迂回访问每道缝隙邻近的余地。然而，根据量子模型，据说粒子在它处于始终两点之间的时刻都没有明确的位置。费恩曼意识到，人们不必将其解释为此意味着这个粒子在源和屏幕之间旅行时没有路径，它反而可能意味着粒子采用连接那两点的每一条可能的路径。费恩曼断言，这就是使量子物理有别于牛顿物理的缘由，因为粒子不仅遵循着单独的明确的路径，它取每一条路径，并且还同时取所有的这些路径，因此在两个缝隙的情形是无关紧要的。这听起来也有点儿像是科学幻想小说里的内容，但这确实是事实。同时，费恩曼还构想出了一个数学表述——费恩曼历史求和，这个表述反映了他的这一思想，并重现了量子物理的所有定律。数学和物理图像在费恩曼理论中和在量子物理原先的表述中不同，但两者的预言相同。
我们到现在已经讨论过了在双缝实验背景下的费恩曼观念。在上述的实验中，粒子被射向带有缝隙的墙，而我们在置于墙后的屏幕上测量粒子结束行程的位置。更简单地来说，费恩曼的理论允许我们预言的并不是仅仅的一个单独的粒子，而是一个“系统”的所有可能的结果，该系统可以是一个粒子、一组粒子，甚至是整个宇宙。在系统的初始态和我们对它的性质的后来的测量之间，那些性质以某种方式演化，物理学家将这种方式称之为系统的历史，例如，在双缝实验中，粒子的历史就是它的路径。正如对于双缝实验，观察粒子到达任何给定的点的机会依赖于所有能把它弄到那里的所有路径，费恩曼指出，对于一个一般系统，任何观察的概率是由所有可能将其导致那个视察的历史构成。正因为如此，他的方法被人们称作是量子物理“历史求和”，还有人将其称之为“另外历史”，但它们的实质是相同的。
既然现在的我们已经了解了由费恩曼所提出的量子物理方法，那么接下来我们该来研究后面将要用到的另一个关键的量子原理——观测系统必然改变其过程的原理了。我们难道不能小心地看着而不去干预吗？正如当我们的导师的下颌上有点儿芥末时能只是看着而不出言提醒吗？答案显然是不能。根据量子物理，我们都不能“只”观察某物。也就是说，量子物理中承认，每进行一次观测，我们必须和我们正观测的对象发生相互作用。例如，从传统意义来说，如果我们要看一个物体，我们就得把光照在它上面。把光照在南瓜上当然对它只有微小的效应，但是将一道微弱的光照射到极小的量子粒子上，即把光子打到它上面，就的确会产生能够被觉察到的效应，而且实验表明它还正好以量子物理所描述的方式改变着实验结果。
在牛顿提出的理论中，过去都是被假定的，作为明确的事件系列而存在着的。如果你看到去年在意大利买的花瓶摔碎在地上，而你正在蹒跚学步的孩子羞怯地站立在一旁时，那么你就会很轻易地回溯到整个事件：孩子小小的指头松开，然后花瓶落下并落在地上变成了一地的碎片。事实上，一旦给定了关于此刻的完全数据，牛顿定律就允许我们计算出过去的完整图像。这个观点和我们最直观的理解显然是一致的，不论痛苦抑或是快乐，世界一直都有着明确的过去。也许从未有人看到过，但是过去存在的真实性就好像我们为它拍了一系列快照一样。但是，这样的观点并不是就能说明量子巴基球从源到屏幕的时候确实飞过了确定的路径。我们可以观测巴基球从而确定它真实的位置，但是在我们观测的间隙里，巴基球已经飞过了所有的路径。量子物理告诉我们一件事：不管我们现在多么彻底地来进行观测，那些不曾被我们观测过的过去就好像是将来一样，两者都是不确定的，只能够作为可能性的谱而存在着，因此从量子物理里面，我们可以知道，宇宙并没有一个单独的过去，也就是宇宙的历史并不是单一的。
关于万物的理论
爱因斯坦曾说，宇宙最不可理解之处是它是可理解的，这话听着拗口，可它确有其理。因为宇宙万象不可理解的秘密背后，到处都隐藏着深刻的道理。
电力和磁力是它们定律或模型被发现的宇宙的第二个方面。这些力的行为类似引力，但具有重大的差别，两个同类的电荷或同性的磁极互相排斥，而相异电荷或相异磁极相互吸引。电磁力比引力强烈得多，但因为宏观物体都拥有几乎等量的正负电荷，所以在我们的日常生活中通常觉察不到它们。这意味着两个宏观物体之间的电磁力几乎被完全相互抵消，并不像引力那样全部的叠加起来。
我们现在有关电学和磁学的观念是在18世纪中期到19世纪中期这中间大约100年间发展起来的，那时几个国家的物理学家对电磁力进行了仔细的实验研究，其中一个最重要的发现是电力和磁力是相互关联的：一个运动的电荷对磁铁施力，而一个运动的磁铁也对电荷施力，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特首先意识到电力和磁力存在着某种关联。奥斯特在1820年在为大学讲演做准备时偶然注意到，从他正使用的电池释放出的电流使邻近的指南针指针产生了偏转。他很快意识到这个现象表明运动的电能够产生磁力，并创造了新词“电磁学”。几年之后，英国科学家迈克尔·法拉第做出了推断，用现代的术语来进行表达就是：如果电流能引起磁场，那么磁场也应该能够产生电流。他于1831年发现和展示了这个效应。
今天，我们用来描述电磁场的方程被称作麦克斯韦方程。也许很少有人听到过它们，但它们就是我们所知道的，在商业上最重要的方程。它们不仅制约从家电到电脑的一切运行，还描述除了光之外的波，诸如微波、射电波、红外光和X射线。所有这些和可见光只在一个方面有差别——波长。射电波的波长为1米或更长，而可见光的波长为千万分之几米，而X射线的波长比亿分之一米还短。我们的太阳在所有波长上辐射，但是其辐射强度在我们可见的波长上最大。我们用肉眼能看到的波长是太阳最强烈辐射的那些，这也许不是碰巧，很可能正是因为这恰好是肉眼获得最大的辐射范围，所以我们肉眼的进化程度达到了能够检测到该辐射范围的能力。如果我们遇到其他行星来的生物，它们也许也能够看到在它们自己的太阳散发的最强烈的辐射，这种辐射受到在它们行星大气中，诸如灰尘和气体的遮光特性的因素的调制。这样，在X射线存在下进化过的外星人从事机场安检可以说会是非常称职的。
麦克斯韦方程要求电磁波以大约每秒30万千米或者约每小时6．7亿英里的速度旅行。但是除非你能指明一个参考系，相对于这个参考系来测量这个速度，否则引述一个速度根本没有任何意义，那并不是你在平时所需要考虑到的问题。当速度限制标志写着每小时60英里时，那是指你的速度是相对于路，而非相对于银河系中心的黑洞来测量的。然而，即便在日常生活也存在你要考虑参考系的场合。例如，如果你手持一杯茶在飞行中的喷气式飞机的走道走动，你会说你的速度是每小时两英里，然而地面上的某人会说，你正在以每小时572英里的速度运动。为了避免你以为那些观察者中的一位或其他更有权拥有真理，记住，因为地球围绕着太阳公转，而某位从那个天体表面看着你的人会和你们两位的意见都不一致，并且说你大约以每秒18英里的速度运动，更不用说忌妒你的空调了。根据这种分歧，当麦克斯韦宣布发现从他的方程涌现出“光速”时，就自然地产生了问题：麦克斯韦方程中的光速是相对于什么而测量的？
如果你朝着声波穿越空气疾走，波就会较快地向你接近，而如果你疾走离开，波就会较慢地向你靠近。类似地，如果存在以太，光速就会以你相对于以太的运动而变化。事实上，如果光的行为和声一样，正如搭乘超音速喷气式飞机的人永远听不到从飞机后面传来的任何声音，因而足够快地穿越以太运动的旅客也能够跑得比光波更快。从这类考虑开始研究，麦克斯韦曾建议做出一个实验。如果存在以太，那么在地球围绕太阳公转时，它必须穿越以太运动，并且由于地球在1月份旅行的方向与4月或7月相比有所不同，人们应能观测到在一年的不同时期光速的微小差别。
迈克耳孙和莫雷实验的结果很显然与电磁波通过以太传播的模型相冲突，因而本应该将以太模型给抛弃掉，但是迈克耳孙的目的是测量地球相对于以太的速度，不是去证明或证伪以太假设，并且他的发现没有使他得出以太不存在的结论，也没有使其他人得出这个结论。事实上，1884年，著名的物理学家威廉·汤姆孙爵士（开尔文勋爵）说：“以太是动力学中我们确信的仅有物质。有件事物我们确信无疑，那就是传光以太的实在性和本体性。”
当爱因斯坦在1905年发表他的那篇题为《论动体的电动力学》的论文时，他才26岁。在该论文中，爱因斯坦提出了狭义相对论和光学不变原理。结果，这个观念需要改变我们有关空间和时间的概念。为了知道原由，想象两个在喷气式飞机的相同地方但在不同时刻发生的事件，对一位在飞机上的观察者而言，这两个事件之间具有零距离，但是对于在地面上的另一位观察者而言，这两个事件被分开的距离是飞机在两个事件之间的时间里旅行的距离。这显示了两位相对运动的观察者在两个事件的距离上意见不同。
现在假定这两位观察者观察从机尾向机头行进的一个光脉冲。正如在上例中所说的，对于光从它的机尾被发射直至在机头被接收行进的距离，他们的意见不一致。由于速度是行进距离除以所用的时间，这意味着如果他们在脉冲行进的速度——光速上意见一致，他们就对在发射和吸收之间的时间间隔上意见不一致。
爱因斯坦的研究表明就好像运动和静止的概念一样，时间不可能是绝对的，不是像牛顿所以为的那样。换言之，不可以赋予每一个事件每位观察者都同意的时间，相反地，所有的观察者都有他们自己的时间测量，而两位相互运动的观察者测量的时间一定不一致。爱因斯坦提出的观念和我们的直觉背道而驰，因为这些在我们日常生活中发生的在正常的速度上的含义是不能被我们所觉察到的，但是它们已再三地被科学家和实验所确认。例如，想象一台处于地球中心的静止的参考钟，另一台钟处于地球表面，而第三台钟搭乘飞机，或者顺着或者逆着地球旋转的方向飞行。参照处于地心的钟，搭着向东飞行的飞机，沿着地球旋转的方向上的钟比在地球表面上的钟运动得快，这样它应该走得较慢。类似地，参照处于地心的钟，搭着向西飞行的飞机，逆着地球旋转的方向上的钟比在地球表面上的钟运动得较慢，所以应走得较快。而这一结果也正是在1971年10月曾进行的一次实验中所观察到的现象一致，在该实验中，将一台非常精密的原子钟绕着地球飞行，这样你可以不断绕着地球往东飞行，由此可以延长你的生命。虽然你也许对所有那些航线上的电影感到厌烦。然而，这效应非常小，每一次循环大约为亿分之十八秒（而且这还要因为引力的差异效应而相应地有所减少，但在这里不必讨论这个）。
爱因斯坦的研究，使物理学家们意识到，由于要求光束在所有参考系中相同，麦克斯韦的电磁学理论就要求时间不能被视为与空间的三维分离。时空和时间反而是相互纠缠的，它有点儿像把将来（过去）的第四个方向加到通常的左（右）、前（后）和上（下）去。物理学家们将空间和时间的这种结合称之为“时空”，而且时空包括了一个第四方向，他们把这个第四方向称之为第四维。在时空中，时间不再和空间的三维分离，而且，粗略地讲，正如左（右）、前（后）或上（下）的定义依赖于观察者的方向，时间的方向也随观察者的速度而变化。以不同速度运动的观察者会在时空中选择时间的不同方向，因此爱因斯坦的狭义相对论是一个全新的模型，它摆脱了绝对时间和绝对静止（也就是相对于固定的以太的静止）的概念。
而在发表了狭义相对论之后，爱因斯坦很快意识到，要使牛顿的引力论和相对论协调，还必须做出另一个改变。根据牛顿的引力论，在任何时刻，物体都以依赖于它们之间在那个时刻的距离的一个力相互吸引。可是，他提出的相对论已经废除了绝对时间的概念，这样就没办法来定义何时去测量物体之间的距离，这样就使得牛顿引力论和狭义相对论不协调，所以必须修正。这个冲突也许在我们听起来仅像是技术困难，甚至是不必太多改变理论就能被迂回解决的细节，但现实的结果表明，这样简单的想法完全错了。
其后的11年间，爱因斯坦发展了一套关于引力的新理论，他将其称为广义相对论。广义相对论中的引力概念和传统的牛顿引力论截然不同。相反地，广义相对论是基于一种革命性的设想：时空不像原来以为的那样是平坦的，而是被在其中的质量和能量弯曲了、变形了的。
考虑地球表面弯曲是一种想象曲率的好办法。尽管地球表面仅仅是二维的［因为沿着它只有两个方向，比如北（南）和东（西）］，因为去想象弯曲的二维空间比弯曲的四维空间容易，所以我们要将它作为下面的例子，诸如地球表面的弯曲空间的几何不是我们熟悉的欧氏几何。例如，在地球表面上的两点之间最短的路径，我们都知道在欧氏几何中是条直线，但在这里就是沿着连接这两点所谓的大圆的路径。（一个大圆是地球表面上的一个以地球中心为中心的圆。赤道是大圆的一个例子，赤道沿着不同直径旋转得到的任何圆也是大圆。）
根据牛顿运动定律，诸如炮弹、新月形面包和行星，除了受外力，比如引力，其他的都沿着直线在运动，但是在爱因斯坦的广义相对论中，引力是一种不像其他力的力；毋宁说，它是质量变形时空产生曲率的事实的结果。在广义相对论中，物体沿测地线运动，这是在弯曲空间中最接近直线的东西。在平坦的面上，直线是测地线，在地球表面上，大圆是测地线。在没有物质时，四维时空中的测地线对应于三维空间中的直线。然而，当物质存在时，它变形成时空，物体在相应的三维空间中的路径以一种在牛顿理论中被解释成引力吸引的方式弯曲。
在没有引力时，爱因斯坦的广义相对论重现了狭义相对论，而在我们太阳系这样的弱引力环境中，它也做出和牛顿引力论几乎相同的预言，虽然并不完全。事实上，如果在全球定位卫星导航系统中不考虑广义相对论，则全球位置的误差就会以大约每天10千米的速率积累下去。然而，广义相对论的真正重要性并非在于在这种能够引导你去新饭店的仪器中的使用，而在于它是宇宙的非常不同的模型，该模型能够预言诸如引力波和黑洞这些全新的效应，此外，有广义相对论就将物理转变成了几何。现代技术已经足够灵敏，允许我们进行许多广义相对论的微妙检验，而目前，它已经通过了所有的检验。
自然中，已知的力大概可分为4类：
1．引力。这是4种力中最弱的力，但它是长程力，并且作为吸引力作用于宇宙中的万物。这意味着，对于大物体引力都能够叠加起来，并且能够支配其他所有的力。
2．电磁力。这也是长程力，并且比引力要强得多，但是它只作用在带电荷的粒子上，它在同种电荷之间是排斥的，而在异种电荷之间是吸引的，这意味着大物体之间的电力相互抵消，但电磁力在原子、分子尺度中起支配作用。电磁力决定着全部化学和生物学过程。
3．弱核力。就是这个力引起的放射性，并在恒星中以及早期宇宙的元素形成中起着极其重要的作用。然而在日常生活中，我们并不接触到这个力。
4．强核力。这个力把原子核中的质子和中子束缚在一起，它还把质子和中子自身束缚住，因为它们是由更微小的粒子，即我们在第三章提到的夸克构成，所以这是必要的。强力是太阳和核动力的能源，但是，正如弱力一样，我们与它完全没有直接的接触。
电磁力的量子理论称作量子电动力学，或简称为QED，是20世纪40年代由理查德·费恩曼和其他人发展的，已成为所有量子场论的一个模型。正如我们说过的，根据经典理论，力是由场来传递的。但在量子场论中，力场被描绘成由称作玻色子的各种基本粒子构成，玻色子是在物质粒子之间来回飞行，携带并传递力的粒子。物质粒子叫费米子，电子和夸克是费米子的粒子。光子或者光的粒子是玻色子的粒子。正是玻色子传送电磁力。所发生的是一个物质粒子，比如电子发射出一个玻色子或者力粒子，因而引起回弹，非常像发射炮弹时引起的大炮回弹一样。后来力粒子和另一个物质粒子碰撞并被吸收，从而改变了那个粒子的运动。按照QED，在带电粒子，也就是感受到电磁力的粒子之间的所有相互作用都是按照光子的交换来进行相互作用的。
QED的预言已被实验不断地检验，并且人们发现其精确地契合了实验的结果，但是QED所需要进行的数学计算十分困难。正如我们下面看到的，问题在于当你对上面粒子交换框架加上量子论的要求，即人们包括相互作用能发生的所有历史，例如，所有力粒子能被交换的方式，其数学的关系就变得复杂了。幸运的是，费恩曼除了发现可择历史的概念，在前一章描述的考虑量子论的方法，还研究出解释不同历史的优雅的图解方法，该方法在今天不仅应用于QED，更应用于所有的量子场论中。
费恩曼图解方法提供一种摹想历史求和中的每一项的方法。这些被称为费恩曼图的图画是现代物理中最重要的工具之一。
费恩曼图不仅是想象和分类相互作用如何发生的一种优雅的方法，该图还附有允许你从每个图的线和顶点得出数学表达式的规则。例如，具有某给定初始动量的入射电子形成具有某个特别的最终动量飞离的概率，那是由对每一幅费恩曼图的贡献求和得到的。但正如我们之前所说，因为这些图的数目是无限多，所以需要我们花费一些功夫，此外，尽管射入和射出的电子被赋予了确定的能量和动量，但在费恩曼图内部的闭圈的粒子可具有任意的能量和动量，这一点是很重要的，因为在进行费恩曼求和时，我们不单要对所有的图求和，而且还要对所有的那些能量和动量值进行求和。
费恩曼图为物理学家在想象和计算由QED描述的过程的概率提供了巨大的帮助。然而，费恩曼图不能治疗QED理论患上的重要毛病，当我们把无数不同历史上的贡献叠加起来，就能够得到无限的结果。（如果在一个无限求和中相继的项减小得足够快，和就可能是有限的，可惜，这里的情况并非如此。）特别是，当把费恩曼图加起来时，其答案似乎表明电子具有无限质量和电荷。这是十分荒谬的，因为我们能够测量到质量和电荷，而它们则是有限的。为了处理这些无限，人们发展了一个被称为重正化的步骤。
重正化的过程牵涉减掉一些量，这些量以这样的方式被定义成无限的负的，注意数学细节，使得负无限大的值与理论中产生的正无限大的值的和几乎完全对消，只留下一个小余量，即质量和电荷的有限的观察值。这些操作可能听起来有点儿像那使我们在中学的数学考试中不及格的东西，而重正化，就像我们听起来的那样，在数学上的确是可疑的。一个推论是这个方法得到的电子质量和电荷值可以是任意有限的值，其优点是物理学家可选择负无限给出正确的答案，但缺点是不能从理论上预测出电子质量和电荷。但是，一旦我们使用了这种方法固定了电子的质量和电荷，就可以利用QED去做其他的许多非常精确的预言，所有这些预言都和观测极其接近地一致，因此，重正化可以说是QED的一个重要组成部分。例如QED早期的一个胜利是正确地预言了所谓的兰姆移动——这是在1947年发现的氢原子的一个态的能量的小小的改变。
QED中重正化的成功鼓舞了正在寻找描述其他3种自然力的量子场论的方法的人。然而，将自然力分成4种也许是人为的，并且是由于我们缺乏正确的理解所造成的，因此人们一直都在寻找一种万物理论，它能够将4类力统一到一种和量子论和谐的单独的定律中。毫无疑问，这个命题将是物理学中的圣杯。
从弱力理论中得到统一是我们找寻到正确方法的一个线索。只描述弱力自身的量子场论是不能重正化的，也就是说，它具有不能由减去有限个如质量和电荷的量来对消的无限。但是，阿伯达斯·萨拉姆和史蒂芬·温伯格于1967年各自独立地提出了一个相同理论，在该理论中把电磁力与弱力相统一，而且发现这个统一能解决无限的困难，这个统一的力被称作弱电力，并且其理论可被重正化，而且它预言了分别叫做W 、W-和Z0的3个新粒子。早在1973年，在日内瓦的CERN中就发现了Z0的证据，而萨拉姆和温伯格也因此在1979年获得诺贝尔奖，尽管直到1983年的时候，W和Z粒子才被直接观察到。
在被称为QCD或者量子色动力学的理论中，强力自身可被重正化。按照QCD，质子、中子以及其他很多物质基本粒子是由夸克构成的。夸克具有物理学家同意称之为颜色的奇妙性质（术语“色动力学”由此而来，尽管夸克的色仅仅为有用的标签——和可见的颜色没什么关联）。夸克以3种所谓的颜色——红、绿和蓝存在，此外，每一种夸克都存在着一个反粒子的伙伴，而那些粒子的颜色相应地就被叫做反红、反绿和反蓝，其思想是只有不具有净颜色的组合才能作为自由粒子存在。存在两种得到这种中性夸克组合的方法。一种颜色和其反颜色抵消，因而夸克和反夸克形成一个无色的对，这是一种被称为介子的不稳定粒子。此外，当所有3种颜色（或反颜色）混合，其结果就没有净颜色。3个夸克，每种颜色一个，形成叫做重子的稳定粒子，质子和中子是其中的粒子（而3个反夸克形成重子的反粒子）。质子和中子是构成原子核的重子，而且是宇宙中所有正常物质的基础。
QCD中还有一个叫做渐近自由的性质，我们在第三章提到了它但没有介绍它的名称。渐近自由指的是当夸克们靠近在一起时，它们之间的强力就很小，但是如果它们离开很远的话，强力则会增大，仿佛是用橡皮筋将它们连在一起似的。渐近自由可以很好地解释为什么我们在自然中从来没有看到有孤立的夸克存在，同时也未能在实验室中制造出它们。尽管我们不能观察到单独夸克，但因为它能如此成功地解释质子、中子和其他物质的粒子，所以我们接受渐进自由这个模型。
在统一了弱力和电磁力之后，20世纪70年代的科学家们都寻找着一种将强力融入到这一个理论当中去的方法。存在一些将强力和弱力以及电磁力统一的所谓大统一理论，我们也将其说成GUT，但是这些理论中大多数都预言到，质子——构成原子的一种粒子应在平均10的32次方年后衰变，而现在的宇宙只有10的10次方年那么老，因此质子的寿命是非常长的。在量子物理学中，当我们说到一个粒子的平均寿命为1032年，我们不是指大多数的粒子的寿命都近似1032年，只是有些粒子更长一些，有些粒子更短一些。相反地，我们的真正意思是，每年，每个粒子都有10~32的衰变可能性。因此只要我们能够一直盯着一个容纳着1032个质子的大容器几年的话，那么我们就应当能够看到一些质子的衰变。由于1000吨的水中就包含1032个质子，所以建造出这样的大容器其实并不是很困难。有的科学家进行过这样实验，但在实验中途才发现、检测出衰减，并将它和持续地从太空向我们撒来的宇宙线引起的其他事件区分开来，以我们现在的水准来说决不是一件简单的事情。因此为了尽可能减小外界的干扰，这种实验必须要在地下深处进行，例如在日本的一座山下深3281英尺的神冈庄开炼矿公司的矿中进行，它可以有效防御一些宇宙线。研究者根据于2009年得到的观测结果得出结论，如果质子真的衰变的话，其寿命比1034年还长，这对于大统一理论来说显然是个坏消息。
由于更早的观测证据也都不能支持GUT，大多数物理学家采纳了一种被称为标准模型的特别的理论，它包含着弱电力的统一理论和作为强力理论的QCD。然而在标准模型中，弱电力和强力是分别在产生作用，而并没有真正意义上的统一起来。标准模型虽然非常成功，并且也能和所有现在的观测证据相符合，但是除了没有将弱电力和强力真正统一外，它也没有纳入引力的概念，所以终究也是不能让人满意的。
将强力和电磁力以及弱力融合在一起或许已经被无数的人证明是困难的，但同样地，将引力与其他3种力合并，甚至说同创立一个独立的量子引力论相比，那可谓是真正的小菜一碟。创立量子引力论被证明如此困难的原因与我们曾在第四章讨论过的海森伯原理有关。考虑到这个原理，结果是场的值与它的变化率起着和粒子位置与速度同样的作用，这点是不明显的。也就是说，其中一个越精确，则另一个只能是越不精确。而海森伯原理重要的推论之一是，不存在像空虚的空间这类东西，那是因为空虚的空间意味着无论是场值还是它的变化率都精确地为零。（如果场的变化率不为零，则空间不会保持空虚。）由于不确定性原理不允许场和变化率都是准确的，因此空间永远不可能真正的空虚，但是它可以拥有一个最低能量的状态，我们称之为真空，当然，这个态遭受着所谓的量子颤抖，换句话说，即真空涨落——粒子和场不停出现和消失。
我们可以将真空涨落认为是许多的粒子对在某一时间一起出现，相互离开，然而又重新回到一起，并且最终相互湮没。按照费恩曼图，它们对应于闭合的圈，这些粒子被称为虚粒子。和实粒子不同，不能用粒子探测器直接观察到虚粒子。然而，它们的间接效应，诸如在电子轨道上的能量的小改变可被测量到，并和理论预言一致到惊人的准确程度，问题是虚粒子具有能量，而且因为存在无限数目的虚粒子对，它们就会拥有无限的能量。根据广义相对论，这意味着它们会将宇宙弯曲到无限小的尺度，但是这显然并没有发生。
这个无限的困难类似于强力、弱力和电磁力理论中产生的问题，在引力的费恩曼图中的闭圈不能被重正化吸收掉，因为在广义相对论中没有足够多的重正化参数（诸如质量和电荷的值）去消除从理论来的所有量子无限。因此，我们留下了一个引力理论，它预言某些量，诸如时空曲率是无限的，这个理论无法开动一个可居住的宇宙，那意味着，获得一个切合实际的理论的仅有可能性是不求助于重正化，所有的无限就被某种办法对消掉了。
1976年，人们对这个问题找到了一个可能的解决办法，它被称作超引力。加上这个前缀“超”，不是因为物理学家认为这个量子引力论可能真的行得通，这一点是“超级的”。超”仅仅是指理论拥有的称为超对称的一种对称。
在物理学中，如果一个系统的性质在例如空间中旋转或取其镜像的某种变换下能够不受到影响，则称它拥有着对称。例如，如果你把一个甜面包圈翻过来，它显得完全不同（除非它上部拥有着足够多的巧克力，当然，在这种情景下，最好的选择就是吃掉它）。超对称是一种更微妙的对称，与通常空间的变换无关联。超对称的一个重要含义是力粒子和物质粒子，因为力和物质在事实上只是同样东西的不同的两面罢了。实际地讲，那意味着每个物质粒子，例如夸克应该具有一个力粒子的伙伴粒子，而每个力粒子，例如光子应该具有一个物质粒子的伙伴粒子，因为人们发现从力粒子闭圈引起的无限是正的，而从物质粒子闭圈引起的无限是负的，这样在理论中致使从力粒子和它们伙伴物质粒子引起的无限抵消掉，所以超对称具有解决无限的问题的可能性。可惜的是，需要找出在超引力中是否存在任何留下的未被对消的无限的计算实在是冗长和困难，并且可能发生种种不可预知的错误，进而使得没人准备着手进行这项计算。但尽管缺乏实际的支撑，绝大多数的物理学家仍然相信超引力可能就是把引力和其他力统一的问题的正确答案。
也许会有人认为检查超对称的成立是件挺容易的事——无非就是检查存在粒子的性质，并且看它们是否能够配对。这样的伙伴粒子至今没有被观察到。但是，物理学家做过的各种计算表明，对应于我们观察到的粒子的伙伴粒子的质量至少应该是质子的1000倍那么重，因为这种粒子太重了，以至于迄今我们在任何实验中都没有看到它们的身影，但位于日内瓦的大型强子碰撞机中有望最终创生出这样的粒子。
超对称的思想是创造超引力的关键，但此概念实际起源于多年前研究所谓弦论的理论雏形的理论家们。根据弦论，粒子不是点，而是只具有长度，没有高度或宽度的像无限细的一段弦的振动模式。弦论也导致无限，但人们相信，在合适的版本中，这种无限将被对消掉。它们还有另外不寻常的特征：只有在时空为十维而不是通常的四维时，它们才是协调的。十维也许听起来激动人心，但是你若忘记在何处泊车，它们就会引起真正的问题。如果这些额外的维度真实存在的话，为什么我们都没有觉察到呢？根据弦论，它们被蜷缩成非常小尺度的空间。为了描述这个，想象一个二维的平面，因为我们需要两个数（例如水平坐标和垂直坐标）去定位平面上的任何点，所以称平面是两维的。另一个两维的空间是麦秸的表面，为了在这个空间中给一点定位，你要知道这一点位于沿着麦秸长度的何处，还需要知道它位于圆周维度的何处。但是如果麦秸非常细的话，那么我们只要用沿着麦秸长度的坐标就能够得到近似得非常好的位置，这样我们就可以不考虑圆周的维度。而如果麦秸在直径是一亿亿亿亿亿（1后加40个0）分之一百英寸，我们也就根本不会觉察到圆周的维度，这就是弦理论家所拥有的额外维的图像——这些额外维在小至我们看不见的尺度上都是高度弯曲或蜷曲的。在弦论中，额外维被卷曲成所谓的内空间，这是相对于我们日常生活中所经验到的三维空间。就如我们将要看到的，这些内部状态不只是毫无声息的隐藏的维度，它们还具有重要的物理意义。
弦论除了维数的问题，还受另一个令人困惑的问题的折磨：似乎至少存在5种理论以及几百万种额外维蜷缩的方式，对于那些提倡弦论是万物的唯一理论的人而言，这是一个非常令人感到困窘的可能性。所以在后来，大约是1994年的时候，人们开始发现了对偶性——不同的弦论以及不同的蜷缩额外维的方式是描写四维中的同样现象的全然不同的方式。除此之外，人们还发现超引力也以这种方式和其他理论相互关联。弦理论家们现在都坚信，5种弦理论和超引力只是一个更基本理论的不同近似，各自在不同的情形下成立。
正如我们早先提到的，那个更基本的理论被称为M理论。似乎无人知道“M”代表什么，可能代表的有“主要”、“奇迹”或者“神秘”，它似乎是所有这三者的和。现在人们仍然在努力去释明M理论的性质，但那也许是不可能实现的。在传统上，物理学家期望自然有一个单独理论，这难以获得支持，同时也不会存在一个单独的表述。我们想要描述宇宙的话，也许只能在不同的情形下应用着不同的理论，每一种理论都会拥有它自己的关于实在的版本，但是根据依赖模型的实在论，每逢这些理论交叠，也就是它们都能适用之处，只要它们的预言一致，那就可以被人们接受。
不管M理论是作为一个单独的表述，还是只当做一个网络而存在着，我们的确知道关于它的一些性质。首先，M理论具有十一维时空，而不是传统十维时空。弦理论家早就怀疑，十维的预言也许必须调整，而根据最近的研究结果也显示，一维的确被人们所忽略了。此外，M理论不仅包含有振动的弦，还包含着点粒子、二维膜、三维块，以及其他的我们更难想象的占据直至九维的更多空间维度的其他物体，这些物体被称为p膜（这儿p从0到9）。
那么那些蜷缩成极小维度的大量方式又是怎么一回事呢？在M理论中，那些额外的空间维度都不能以任意方式蜷缩。该理论的数学性质限制内空间维度能被蜷缩的方式。内空间的准确形状不仅确定物理常数的值，比如电子的电荷，还确定了基本粒子之间的相互作用。换句话说，它确定着自然的表观定律。我们说“表观”是因为我们说的定律是指在我们的宇宙中观测到的4种力的定律以及诸如那些表征基本粒子的质量和电荷之类的参数，但是更为基本的定律则是M理论中的那些定律。
因此，M理论的定律允许拥有不同表观定律的不同宇宙，表观定律按照内空间如何蜷缩而确定。M理论具有允许许多，也许多达10500的不同内空间的解，这意味着它允许10500个不同宇宙各自具有自己的定律。为了体会这个数字有多大，可以这样考虑：如果某种生物只用1毫秒就能分析那些宇宙中的每一个预言的定律，并且从大爆炸时就开始进行，至今那个生物才研究了其中的1020个，而这还是在连喝咖啡的时间都不曾有的情形之下。
早在几个世纪之前，牛顿就已经证明了，数学方程能够对物体相互作用做出令人惊讶的准确描述，无论是在地球之中还是在天穹之外。科学家们由此而相信，如果我们知道正确的理论并拥有足够的计算能力，那么我们便能够预见整个宇宙。由于后来出现了量子不确定性、弯曲空间、夸克、弦以及额外维等理论，他们工作的最后结果是10500个宇宙，都各自拥有不同的定律，其中只有一个对应于我们所知道的宇宙。物理学家原先是希望能够创造出一个单独的理论，把我们宇宙的表观定律解释成一些简单的假设的唯一可能的结果，现在这种希望也许必须被抛弃。那我们应该怎么办？如果M理论允许10500族的表观定律，那我们为何会落到现在这个宇宙并拥有如此之多我们可见到的定律？而其他的那些可能的世界又会是怎样的呢？
