相对论简史
阿尔伯特·爱因斯坦就是狭义和广义相对论的发现者，他是一位全世界最伟大的科学家，爱因斯坦于1879年诞生于德国的乌尔姆，于1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，加入了瑞士国籍，在1905年获得了苏黎世大学哲学博士学位。爱因斯坦还曾在伯尔尼专利局任职，也在苏黎世工业大学、布拉格德意志担任过大学教授。在1913年的时候，爱因斯坦返回了德国，任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授，并当选为普鲁士科学院院士。在1933年，爱因斯坦在英国期间，曾被格拉斯哥大学授予荣誉法学博士学位（LL。D）。因为其犹太人的身份，爱因斯坦还曾遭受过纳粹政权迫害，从而移居美国，在普林斯顿高级研究所任教授。爱因斯坦一直在从事着理论物理的研究，并且成功地开启了两项观念革命，改变了我们对时间、空间以及实在本身的理解。
19世纪，一种名为“以太”的连续介质就像声波一样充满了所有科学家的想象空间，而为了仔细测量以太的弹性性质，哈佛大学还专门建立起了杰弗逊实验室，在建筑这个实验室的时候，哈佛大学甚至没有用一个铁钉，而这为的就是避免干扰灵敏的磁测量。
而到了19世纪末，出现了可和穿透一切的以太观的偏差。人们开始预料到光在通过以太时会以恒定的速率行进；在逆着光的方向上运动，它的速度会显得更快，而顺着光的方向运动则会显得更慢。
可是这个观念并非是不存在着争议的，在接下来的一系列实验中，我们可以清楚地看到这一观念存在的误差。阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷在俄亥俄的克里夫兰的凯思应用科学学校所进行的实验足以证明，随着地球绕轴自转以及绕日公转，仪器以变化的速率和方向通过以太运动，而且两束光之间并没有周日或周年的变化。光一直都是在以相同的速率相对于它的所在地运动。
而乔治·费兹杰拉德和亨得利克·洛伦兹则是在莫雷实验的基础上曾提出过，物体在通过以太运动时会发生收缩，而钟表也会变慢。相对于以太运动，于是我们总是会测量到相同的光速。
而在1905年6月，爱因斯坦在其所撰写的一篇论文中指出，如果我们没有检测出是否穿越空间的运动，那么以太的观念是纯属多余的。爱因斯坦是以科学定律对于所有自由运动的假设作为出发点的。不管它们运动得多快，都应该测量到相同的光速。光速和它们的运动是无关的，同时在所有方向上都是相同的。
而爱因斯坦的这个观念就需要我们抛弃掉所有钟表都测量的称为时间的这一普适的量。我们每个人都有着自己的个人时间，如果是处于相对静止状态的话，我们的时间就会一致，可是假如我们是相互运动着的话，那么我们的时间就会发生变化，就好像两台以相反方向围绕世界飞行的精确的钟表在回来之后，其显示的时间会发生非常微小的差异一样。
所以，有很多结论都说，我们如果想要活得更长久的话，那么就应该不断地向东飞去，这是因为地球的旋转叠加上飞机的速度，我们的生命就会得到延续，虽然这个过程增加的时间比一秒还要短得多。
由于在相对论中，每位独立的观察者都会具有自身的时间测度，这就会导致一个所谓的孪生子佯谬。孪生子中的一位（a）出发进行空间航行，其航行速度接近于光速（c），而他的兄弟（b）留在地球上。
因为他的运动在地面上的孪生子看来，航天飞船上的时间流逝得会比较慢。
而这样，当那位航天者返回时（a2）将会发现他的兄弟（b2）比他较衰老。
虽然这似乎和我们的常识十分抵触，可是一系列的实验都已经证明，在这个场景中，旅行的孪生子确实是会年轻一些。
而相对论的一个非常重要的推论是质量和能量这两者的关系。光速对于任何人都是不变的假设，即意味着光是运动得最快的物体。当我们用能量去加速任何物体的时候，不管是粒子或者航天飞船，事实上发生的事情是，这个物体的质量在增加，而质量的增加就会使得我们对它进一步加速变得更加困难。因此，想要将一个粒子加速到光速是需要消耗无限大能量的，所以这也是不可能的。就像爱因斯坦著名的公式E=mc2总结的一样，质量和能量是等效的。这一公式也许是物理学当中唯一的妇孺皆知的公式。这一公式使我们意识到，如果铀原子核裂变成了两个总质量稍小的核，就会释放出巨大的能量。
危机中的科学研究
1939年，由于第二次世界大战已迫在眉睫，众多意识到这一公式隐含的含义的科学家曾说服爱因斯坦克服其和平主义原则，凭借其权威给罗斯福总统写一封信，要求美国开始制订核研究计划。
1905年，爱因斯坦的开创性论文为其建立了巨大的科学声望。但是一直到1909年，爱因斯坦才得到苏黎世大学的职务，而就是这一机会才使他得以离开瑞士专利局。两年之后，爱因斯坦就转到布拉格的日耳曼大学。而在1912年，爱因斯坦又一次回到了苏黎世，这一次，他返回了苏黎世高工。虽然在当时欧洲的许多地方，甚至在大学之中都盛行着反犹太主义，但爱因斯坦现在已是学术界巨星，维也纳和乌得勒支都邀请爱因斯坦前去任教，但爱因斯坦还是选择了在柏林的普鲁士科学院的研究员这一职务，这是因为那样的话，他就可以摆脱教学了。不可否认的是，尽管相对论和制约电磁学的定律配合得天衣无缝，但是它却不能够和牛顿的引力定律很好地协调。牛顿引力定律说，假如我们在空间的一个区域改变了其物质的分布，那么在宇宙的其他任何地方的引力场就会瞬刻觉察到这一改变，而这不仅仅意味着我们可以发送比光还要快的信号，而这却是相对论所禁止发生的事情；而为了知道瞬刻在这里的含义，牛顿的引力定律还需要存在绝对时间这一概念，而这也正好就是被相对论所抛弃了的，而相对论还用个人时间取代了绝对时间。
原子核是由被强力所捆在一起的质子与中子构成，但是原子核的质量总是比那些组成它的质子和中子的质量之和要小，而这个差就是把核结合在一起的结合能的度量。我们可以在爱因斯坦给出的方程关系中算出这一结合能：核结合能=Δmc2，在此处，Δm是各个质量之和和核质量的差。
而正是这一势能的释放产生了核武器的毁灭性的爆炸力。
在1907年爱因斯坦还在伯尔尼专利局工作时就知道了解决这一问题的困难，但是一直到了1911年，爱因斯坦在布拉格时才开始认真地去思考这个问题。爱因斯坦意识到，在加速度和引力场之间是存在一个密切的关系的。对于待在一个封闭的盒子中，譬如升降机中的某人不能够将盒子静止地处于地球引力场中和盒子在自由空间中被火箭加速这两种情形区别开来（当然，爱因斯坦处于《星际航行》时代之前，只能想到升降机中而不是航天飞船中的人）。
对于在一个盒子中的观察者来说，他是无法区分这两种情形的：（a）处于地球上的固定的升降机中和（b）在自由空间中被火箭加速。
如果火箭发动机关闭（c），其感觉就和升降机向通道底部自由下落一样（d）。
假如地球是平坦的，那么我们既可以说苹果是因为引力而落到牛顿头上，也可以说因为牛顿和地面被往上加速，从而使其被苹果砸到。但是，对于球形的地球来说，加速度和引力这两者之间的等效似乎是不成立的，处于世界相反的两边的我们必须要在相反的方向上被加速，却又停留在固定的相互距离上。
但是，在1912年时，爱因斯坦的思想是质量和能量以一种还未被确定的方式将时空给弯曲了，诸如苹果或者行星等物体在通过时空时企图沿着直线运行，但因为那时的时空是被弯曲了的，因此苹果的轨道是被引力场弯折了。
如果地球是平坦的，人们既可以说因为重力，苹果落到牛顿头上，也可以说地球和牛顿被向上加速。因为对于球形的地球，在世界相反两边的人们会相互越离越远，所以这种等效不成立，可是因为爱因斯坦使空间和时间变得弯曲，从而克服了这个困难。
只有当一个大质量的物体将时空弯曲，并借此将在它附近的物体的路径弯折的时候，加速度和引力这两者才变成等效的。
爱因斯坦关于弯曲时空的新理论现在被我们称为广义相对论，以与其之前所提出的没有引力的狭义相对论相区别。1919年，当英国赴西非的探险队在日食时观察到光线通过太阳邻近被稍微偏折，爱因斯坦的广义相对论由此得到了辉煌的确认，这正是空间和时间被弯曲的最为直接的证据，而这产生了自欧几里得在公元前300年左右写下《几何原本》以后，我们对于宇宙的认识的最大变革。
在广义相对论中，空间和时间从一个事件在其中发生的被动的背景转变成为了宇宙动力学的主动参与者，而这就又引发了一个伟大的问题，而这个问题在现在的物理学中仍然是处于最前沿。如果宇宙中充满了物质，那么物质会将时空弯曲，从而会使得物体最终落到一块。而爱因斯坦发现在他的方程中没有描述一个静态，即在时间中不变的宇宙的解。爱因斯坦宁愿不放弃这样一种永恒的宇宙，因为那正是他和绝大多数人所深信的，来对这一方程进行补缀。爱因斯坦将其添加上一个称为宇宙常数的一项，宇宙常数会在相反的意义上将时空弯曲，从而使得物体相互离开。宇宙常数的排斥效应还可以用来平衡物质之间的吸引效应，而这样就会容许宇宙存在着静态解。这是理论物理学的历史中被错失的最重大的机会之一。假如爱因斯坦坚持自己原先的方程，那么它就能够预言到我们的宇宙要么是正在膨胀，要么是正在收缩，这两者必有其一。而实际上，一直到20世纪20年代，在威尔逊山上用100英寸（1英寸=2．54厘米）望远镜进行观测，我们才认真地接受了随时间变化的宇宙的这一可能性。
一个恒星发出的通过太阳邻近的光线会因为太阳的质量弯曲时空而受到偏折（a）。而从地球上来看的话，这个恒星的表观位置就会发生轻微的移动（b）。在发生日食的时候，我们就可以观察到这一个效应。
而这些观测都揭示了，和我们相距越远的星系就会越快速地离我们而去。而宇宙正在发生着膨胀，任意的两个星系之间的距离都会随时间而恒定地在增加。这一个发现排除了爱因斯坦为了获得静态宇宙解而提出的宇宙常数。事实上，爱因斯坦在后来曾将宇宙常数称为他一生中最大的错误。但是，在现在看来，这也许根本不算是什么错误。现代观测暗示也许确实存在着一个小的宇宙常数。
广义相对论彻底地改变了我们所有有关与宇宙起源和命运的讨论。一个静态的宇宙或者是它现在的形状在过去的某个瞬间创生，也可以存在了无限长时间。但是，如果星系正在相互分开的话，那么在曾经，它们就会更加靠近。而大约在150亿年以前，所有的星系都会相互落在一起，宇宙的密度会十分巨大。天主教牧师乔治·拉玛特是第一个研究这个我们今天叫做大爆炸的宇宙起源的人，乔治·拉玛特把这种状态称为“太初原子”。
广义相对论甚至拥有爱因斯坦都不愿意承认的语言：即在当—个大质量恒星到达其生命的终点，同时不能使其产生足够的热去平衡收缩的引力时，时间就会走到尽头。在爱因斯坦看来，这样的恒星将会在某一个终态最后安定下来。可是现在的我们知道，对于那些比太阳质量两倍还大的恒星其实并不存在着终态的构型。这类恒星将会一直继续收缩，一直到其变成黑洞为止。黑洞是存在于时空之中如此弯曲的一个区域，就连光线都无法从那里逃逸出来。
当一个大质量的恒星消耗完自己的核燃料时，其就会丧失掉热量，同时会发生收缩。时空将会被弯翘得很厉害，从而甚至产生黑洞。甚至连光都不能够从黑洞当中逃逸出来。时间也都会在黑洞之内终结。
彭罗斯和霍金证明了，广义相对论中预言了，无论是该恒星还是那个不慎落入黑洞的可怜的航天员，他们的时间都将在黑洞当中走到终点。可是无论是时间的开端抑或是终结，这两个都是不能被广义相对论方程所定义的。而和量子理论的不协调就是广义相对论在大爆炸处失效的原因。在20世纪早期引起的另一项伟大的观念变革的理论就是量子理论。1900年，马克斯·普朗克在柏林提出，假如光只能以分立的称为量子的波包发射或者吸收，那么我们就可以解释产生一个炽热物体的辐射，而这是走向量相子理论的第一步。1905年，在由爱因斯坦撰写的一篇具有开创性意义的论文中曾指出，普朗克的量子假设是可以用来解释所谓的光电效应的。光电效应是一种当光照射到金属表面时释放出电子的现象，而光电效应就是我们现代的光检测器和电视摄像机的基础，因此，爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。
一直到了20世纪20年代，爱因斯坦还在继续研究量子的思想，可是哥本哈根的威纳·海森伯、剑桥的保罗·狄拉克和苏黎世的厄文·薛定谔这3个人的工作使爱因斯坦感到十分困扰，这3人发展了所谓量子力学的实在的新图像，于是我们知道，微小的粒子将不再会同时具有确定的位置和速度。当粒子的位置被我们测量得越准确的时候，对于其速度的测量则越不准确，而相反的情况也同样成立。基本定律中的这一随机的不可预见的要素让爱因斯坦震惊，他从未全盘接受过量子力学。
1932年12月，获悉纳粹和希特勒即将在德国上台之后，爱因斯坦离开了德国，同时在4个月后选择放弃了德国国籍。爱因斯坦生命中的最后20年是在新泽西的普林斯顿的高等学术研究所度过的。
纳粹在德国发动了反对“犹太人科学”运动，然而有趣的是，许多德国科学家其实是犹太人，这也许就是为什么德国不能制造出原子弹的原因吧。而爱因斯坦和其发现的相对论成为了这个运动的最主要的目标。当爱因斯坦听说将会出版一本题为《100个反爱因斯坦的作家》的图书时，他这样回答道：“为什么要是100个人？假如我真的是错误的话，那么一个人就远远足够了。”在第二次世界大战结束之后，爱因斯坦要求盟国政府建立一个世界政府用以控制原子弹。1948年，他还拒绝了担任以色列新国家总统的邀请。爱因斯坦曾经说过：“政治只是为了现在，而方程却是一种永恒的东西。”广义相对论的方程是爱因斯坦最好的墓志铭和纪念碑，而这些将会和宇宙同在。
在20世纪，世界的改变超过了以往的任何时刻。这个原因当然不是什么新的政治或经济的教义，而是由于我们基础科学的进步从而导致了技术的巨大发展。难道还会有人比阿尔伯特·爱因斯坦更能代表这些进步吗？
广义相对论
广义相对论给时间赋予了形状，而这将又要怎样和量子理论相互和谐？
对于任何关于时间或者任何别的概念的可靠的科学理论，依照霍金的意见来说，其都必须是基于可操作的科学哲学之上，这也是卡尔·波普和其他人所提出的实证主义的方法。而按照这种思维方式来讲的话，科学理论其实也是一种数学模型，因为它要能描述和整理我们所进行的观测。
牛顿提出时间和空间是独立的，而时间就像是一根在两个方向上都无限延伸的铁轨。
在1687年出版的《数学原理》一书中，牛顿给出了我们关于时间和空间的第一个数学模型。在牛顿的模型中，时间和空间是事件发生的背景，同时不会受到事件的影响，时间和空间这两者是独立的。在牛顿看来，时间就像是一根单独的线，或者是两端无限延伸的铁轨。而时间本身被认为是永恒的，而这是以其已经存在了并将继续存在无限久的意义上来说的。而与此相反的是，当时绝大多数的人都认为宇宙是在短短的几千年前以几乎和现状相同的形态诞生的，而这就引发了哲学家们的忧虑，德国思想家伊曼努尔·康德就说，假如宇宙是的的确确被创生的话，那么为什么要在诞生之前还要等待无限久？而在另一个方面，假如宇宙已经存在了无限久的话，那么为什么将要发生的每一件事都不早就发生，从而使得历史完结？重要的还是，为什么宇宙到了现在都还尚未到达热平衡，从而使得万物都具有一样的温度？
中心的大球代表着一个大质量物体，譬如一个恒星，而它的质量会使它邻近的膜弯曲，其曲率将会使在膜上滚动的滚珠轨迹偏折，并且围绕着大球做运动，就和在一个恒星的引力场中的行星能围绕着它公转一样。
这个问题被康德称之为“纯粹理性的二律背反”，因为其看起来就是一个逻辑矛盾，根本就没有办法解决。可是，只是在牛顿数学模型的框架中，这一问题才是矛盾。在牛顿的模型中，时间是一根无限的线，独立地存在于在宇宙中发生的东西之外。可是，就像我们在前面看到的那样，1915年，爱因斯坦提出了一种崭新的数学模型：广义相对论。在爱因斯坦发表那篇论文之后的年代里，我们又将其添加了一些细节，可是由爱因斯坦所提出来的理论，其仍然是我们现在时间和空间模型的基础。本章和下几章将描述从爱因斯坦革命性论文之后的年代里，我们的观念是如何发展的，那是许多的人合作成功的故事。
广义相对论，其将时间维和空间的三维合并，从而形成了所谓的时空。这个理论将引力效应表达成了在宇宙中，物质和能量的分布引起时空弯曲和畸变，使宇宙不再平坦。在时空当中的物体会想要沿着直线运动，可是因为时空本身就是弯曲的，物体的轨迹就会显得被弯折了，而这样的运动就像是受到了引力场的影响。
这是一个粗糙的比喻，请不要过于拘泥，请想象一张橡皮膜吧。我们把一个大球放在膜上，那个球代表太阳，球的质量会把膜压陷下去，使之在太阳邻近弯曲，于是当我们在膜上滚动小滚珠的时候，这些滚珠将不会直接地滚到对面去，而是会围绕着那个重物运动着，就好像行星绕着太阳公转一样。
在我们观看遥远的星系的时候，因为光是以有限的速度在传播的，因此我们是在看过去的宇宙。而如果我们用垂直的方向来代表时间，而用水平方向来代表3个空间方向中的2个，那么在现在到达并处于顶点的光线应该是沿一个圆锥面朝我们而来的。
而在另一个方面，在广义相对论中，时间和空间这两者的存在不仅不能独立于宇宙，同时也不能够相互独立，而它们则是由宇宙中的测量定义的例如在钟表中的石英晶体的振动数或者尺子的长度。而以这样的方式在宇宙中定义的时间，其应该是有着一个最小或者最大的值的，也就是说，时间就是开端或者终结，而这是我们完全可以理解的。而在问起开端之前或者终结之后所发生的是什么，没有任何意义，因为在那时，时间都是不被定义的。
判断广义相对论的数学模型是不是能够预言宇宙以及时间本身是否应该具有一个开端或者终结，这是很重要的。在包括爱因斯坦在内的理论物理学家当中，曾普遍存在着这样一种成见：时间在两个方向都必须是无限的，不然的话就会引起有关宇宙诞生的让人不安的问题，而这个问题似乎存在于科学王国之外。我们都知道，爱因斯坦的方程中也提供了时间存在着开端或者终结的解，但是所有这些解其实都是很特殊的，拥有大量的对称性。我们以为，在实际物体受到其引力而产生坍缩的时候，它的压力或者斜方向的速度会阻止所有物质一道落向同一点，防止那一点的密度变得无限的大。相类似地，假如我们从时间的相反方向将宇宙发生膨胀倒溯回去，那么也就会发现，其实宇宙当中的全部物质都并不是从那个具有无限密度的一点当中涌现的。我们将那个无限密度的点称之为奇点，并且认为那是时间的开端或终结。
在1963年的时候，就有两位苏联科学家——叶弗根尼·利弗席兹和艾萨克·哈拉尼科夫曾宣称他们证明了所有存在奇点的爱因斯坦方程的解其实都对物质和速度做过了特殊的排列。而宇宙实际上并没有这样的特殊排列，于是这些解其实都是错误的。而几乎所有能代表宇宙的解其实都在避免着无限密度的奇点。在宇宙膨胀时期之前一定有过一个预先的收缩相，在收缩相中，物质落到一起，但是相互之间并不发生碰撞，而是在现在的膨胀相中重新分离开来。假如事实果真是如此的话，那么时间就会从无限过去向无限将来永远流逝。
而利弗席兹和哈拉尼科夫的论证并没有使所有人都信服。相反地，罗杰·彭罗斯和霍金采用了不同的手段，不像他们是基于解的细节上去研究，而是基于整个时空的全局结构。
微波背景谱测量了宇宙微波背景辐射谱——强度随频率的分布，那是一种典型的热体辐射谱。而为了能够使辐射一直处于热平衡，物体一定将其散射了多次。这就表明，在我们的过去光锥上一定存在着足够的物质使它向内弯折。
现在到了考虑我们的过去光锥的时候了，就是从遥远的星系远道而来的，就在现在终于到达我们的光线所经过的时空上途径。而在一张时间向上方画、空间往四边画的图上，其是一个圆锥，而圆锥的顶点就是我们现在的时间和地点。我们发现了一个温度比绝对零度高2．7度的物体发出的特征辐射谱。这种微波辐射虽然并不能溶化冻比萨饼，可是这个谱和2．7度的物体辐射谱是如此一致的事实告诉了我们，这种辐射一定是起源于对微波不透明的区域。
于是，我们能够得出一个结论：在我们沿着过去光锥回溯过去的时候，它一定会通过一定量的物质，而这么多的物质足以弯曲时空，于是就会使过去光锥中的光线往相互方向弯折。
当我们往过去回溯的时候，过去光锥的截面会达到最大尺度，然后开始再度缩小，于是我们的过去是呈梨子形状的。
更为确切地讲，这就证明了粒子位置的不确定性乘以它的动量的不确定性总会比普朗克常量大，而普朗克常量是和一个光量子能量的含量密切相关的一个量。
时间具有开端或终结的观念仍然令大多数的物理学家本能的讨厌，于是他们指出，数学模型其实并不能很好地描述奇点附近的时空，而原因则是描述了引力的广义相对论实际上是一种经典理论，就像在前面我们提到的一样，广义相对论和量子理论的不确定性并不能相互协调，因为在宇宙中的绝大多数地方和时间里，时空弯曲的尺度其实都是非常大的，而量子效应相应地就会变得尺度非常小，这种不一致性其实没有什么关系，可是如果在一个奇点附近的话，这两种尺度相互比较，那么量子引力效应就会很重要，而这样，彭罗斯和霍金的奇性定理真正确立的是，其实在我们时空的经典区域在过去或许还在将来，就是以量子引力效应显著的区域作为边界的。而为了理解宇宙的起源和命运，我们就需要量子引力论。
而在20世纪20年代，海森伯、薛定谔和狄拉克提出了具有有限数量粒子系统。可是，在当我们试图把量子观念推广到麦克斯韦场的时候却遭遇到了困难。麦克斯韦场描述电、磁和光，我们可以将麦克斯韦场认为是由不同波长的波组成的（波长是两个邻近波峰或波谷之间的距离）。而在一个波中，场就像单摆一样从一个值向另一个值来回摆动。
根据量子理论，一个单摆的基态或者最低能量的态不是只停留在最低能量的点上，而直接向下指，如果那样就具有确定的位置和确定的速度，即零速度，这就违反了不确定性原理，这个原理禁止同时精确地测量位置和速度。位置的不确定性乘以动量的不确定性必须大于称为普朗克常量的一定量。普朗克常量因为经常使用而显得太长，所以我们用一个符号来表示它。
这样一个单摆的基态或者是最低能量的态，就像我们可以预料到的一样，不具有零能量。而相反地，甚至是在一个单摆或者任何振动系统的基态之中一定会有一定的我们称之为零点起伏的最小量，而这些则意味着单摆不必垂直下指，而且还有着在和垂直方向成小角度处被发现的概率。与之类似的，甚至是在真空或者最低能的态处在麦克斯韦场中的波也并不严格为零，而是具有很小的量。单摆或者波的频率（每秒钟摆动的数目）越高，那么其基态的能量就会越高。
解决这个问题，存在着另一种可能的办法，那就是假设存在着宇宙常数，该常数还是爱因斯坦当初为了得到宇宙的静态模型而引进的。假定该常数具有无限大负值，那么其就可以精确地对消掉自由空间中基态能量所拥有的无限大正值。可是这个宇宙常数似乎是为了这个目的，同时还必须要被无限准确地进行调准。
20世纪70年代，我们十分幸运地发现了一种全新的对称。而这种全新的对称机制将会把从基态起伏引起的无穷大给对消掉。超对称是现代数学模型中的一个特征，它可以被我们用不同的方式来进行描述。其中一种是，除了被我们所体验到的维之外时空还存在有额外的维，而这些维称为格拉斯曼维，因为它们是用所谓的格拉斯曼变量的数而不是用通常的实数来度量的。通常的数在运算中是可交换的，如我们进行乘法的时候，乘数的顺序是无关紧要的。
现在整个宇宙当中的，我们所有已知的粒子都可以被分成两种——费米子、玻色子。费米子是自旋为半整数（例如自旋为1/2）的粒子，它们构成了通常意义的物体，其基态能量是负的。
而玻色子的自旋为整数（例如自旋为0、1、2）的粒子，玻色子会在费米子之间引起力，诸如引力和光，而玻色子拥有的基态能量是正的。超引力理论中认为，每一种费米子和玻色子其实都存在一个自旋比其本身大或小1/2的“超伴侣”。下面用一个例子来说明较易于理解：光的自旋为1，是玻色子，它的基态能量是正的。而光子的超伴侣，光微子的自旋是1/2，因此光微子是费米子，它的基态能量是负的。
在通常数的维中和格拉斯曼维中都是平坦的时空当中消除掉物质场和杨一米尔斯场的无穷大是超对称的首先应用，可是想要把超对称推广到通常数和格拉斯曼维的弯曲的时空中是一件很正常的事。而这就诞生了一些我们现在称之为超引力的理论，它们分别具有不同数目的超对称，而超对称中的一个重要的推论是，每一种场或粒子都具有一个自旋比它大或小1/2的“超伴侣”。
自旋是整数（0、1、2等）的场，也就是玻色子，基态能量是正的。而自旋为半整数（1/2、3/2等）的场，也就是费米子的基态能量将会是负的。同时，因为玻色子和费米子这两者的数目是相等的，所以在超引力理论中，那个最大的无限大就被这样抵消掉了。
或许还有残留着更加微小的无限的量的这种可能性，可是实在没有人拥有那么多的耐心去计算这些理论究竟是否完全具有极限。普遍的人都这样认为，一名非常能干的学生都要花费200年的时间才能真正完成此事，而这样的话，我们又怎么能够知道其是不是在第二页的时候就出了错呢？一直到1985年的时候，绝大多数的人们依然这样相信，最超对称的超引力理论可避免无限大。
而假如弦除了它们通常数的维外，还存在于格拉斯曼维，那么涟漪就是对应于玻色子和费米子。在这种情形下，正的和负的基态能就会准确对消掉，甚至连较小种类的无限大都会不复存在。那时的人们宣布超弦是TOE，也就是万物的理论。
而在1985年之后，弦理论实际上并不是完整的图像这一点逐渐地清晰起来。人们开始渐渐地意识到，弦其实只不过是延展在多于一维的物体的广泛族类中的一员。保罗·汤森对这些东西做了许多基本研究，将这些东西命名为“p膜”。一个p膜在p个方向上有长度。这样，p=1的膜是弦，p=2的膜是面或者薄膜，等等。看起来p=1的弦的情形并没有理由比其他的更可能的p值更值得宠爱。而相反地，我们更应该采用p膜的民主原则：所有的p膜都是平等的。
在十维或者十一维的超引力理论的方程中，我们可以找到关于所有p膜的解。十维或十一维听起来不太像我们现在所处的时空。人们普遍的观念是，其余的六维或七维都被弯卷得非常小，小到我们甚至都觉察不到，于是我们只知道剩下的4个宏观的几乎平坦的维。
对于这样的一个观点，我们最多只能产生这样的疑问：具有额外维的数学模型就能够很好地被用来描述宇宙吗？虽然在目前，我们并没有任何不用额外维便无法解释的观测，可是，在日内瓦的大型强子碰撞机中我们就有可能观察到这些。可是，许多人必须要认真地接受具有额外维的模型的一个可以让其信服的理由是：在这些具有额外维的模型之间拥有一种所谓对偶性的意外的关系网。而这些对偶性就显示了这些模型在本质上其实都是等效的，即它们不过是一个基本的理论的不同方面而已，而这个基本理论就是M理论，而这些对偶性之网正是表明我们现在正处在正确轨道之上的证据。
存在的这些对偶性说明了，其实所有的5种超弦理论都被用来描述这一样的物理，同时其在物理上也和超引力相等效。我们并不能够说超弦比超引力更基本，反过来说也同样是错误的。我们应该说，这两者其实是同一个基本理论的不同表述罢了，它们各自对在不同情形下的计算十分有用处。弦理论并没有任何无限大，因而使用它，我们就可以很方便地来计算一些高能粒子碰撞以及散射时会发生什么。可是在描述非常大量的粒子其能量是如何弯曲宇宙或者形成束缚态的时候，弦理论就没有多大的用处了。而这个时候，我们需要的是超引力。超引力基本上就是在爱因斯坦弯曲时空的理论中再在加上一些额外种类的物质。这正是下面主要使用的图像。
为了能够更好地去描述量子理论是怎样给予了时间和空间形状的，在这里引进虚时间的观念是非常有帮助的。听起来，虚时间这一概念会有点儿像是科学幻想，可是它其实是意义非常明确的数学概念：虚时间就是用虚数来度量的时间。我们可以把1、2、-3、5这样的实数想象成对应在一根水平线上的位置：零在正当中，正实数在右边，而负实数在左边，那么虚数就是对应于一根垂直线上的位置：零同样是在中点。而正虚数是画在上方的，负虚数则是被画在了下面，因此虚数也被认做是和实数所夹为直角的一种新型的数。因为虚数只是一种数学上的构造物罢了，所以并不需要实体来实现；我们不可能有虚数个橘子或者用虚数的信用卡账单。
经典（也就是非量子）广义相对论将实时间和三维空间合并成了新的四维时空，可是实时间方向和3个空间上的方向是可被识别开来的，而一位观察者的世界线或者是历史总是在实时间的方向上增加的（时间总是从过去运动到未来），可是它在三维空间的任何方向上都可以增加或者减少。换句话说，我们可以在空间中而不是时间中颠倒方向。
另一方面，虚时间和实时间是夹着一个直角的，其行为就好像空间的第四个方向。所以，虚时间比通常的实时间的铁轨要具有更多的可能性。铁轨要么是开端，要么是终结，要么是绕着圆圈，只能是这三者。而在这个虚的意义上，时间是具有形状的。
为了能够更好地领略一些可能性，我们来考虑一个虚时间的时空，那会是一个像极了地球表面的球面。我们假定虚时间是纬度，因此宇宙在虚时间当中的历史就是从南极来的。而这样，“在开端之前发生了什么”这个问题就变得毫无意义。那样的时间根本无法被我们所定义，就像在地球上并不存在着比南极更南的点一样。南极是地球表面上一个完全规则的点，而定律在南极就像是在其他点一样都会成立。而这就意味着，宇宙在虚时间当中的开端就可以是时空的正则点，同时，相同的定律在开端就好像是在宇宙中别的其他地方一样成立（宇宙的量子起源和演化将在下一章中讨论）。
我们还可以将虚时间作为地球上的经度来说明另外一种可能的行为，因为经线都会在北极和南极相遇。而这样，时间就会静止在那里，而下面就是从这样的意义上来说的，即虚时间的增加会让我们始终停留在同一点上，而这个点就和时间通常在一个黑洞视界上会显得静止十分的相像。而我们都已经知道了这种实和虚时间的静止（两者都静止或者都不静止）意味着时空具有温度，就好像霍金在黑洞情形下所发现的那样。黑洞不单单是具有温度这么简单，其行为方式还表明其似乎具有被我们称之为熵的量。熵可以被用来度量黑洞内部状态（可在其内部构造的方式）的数目，那是给定了质量、旋转和电荷这些要素的黑洞所允许的所有内部状态。而在黑洞外面的观察者只能观测到黑洞的这3种参数，于是这些内部状态在其看来并没什么实际意义上的差别。1974年，霍金发现的一个非常简单的公式给出了黑洞的熵，黑洞的熵等于黑洞视界的面积，黑洞视界面积的每一个基本单位上都记载了关于黑洞内部状态的一比特的信息。这就表明了，在量子引力和热力学之间是存在联系的。热力学就是热的科学（其中包括对熵的研究）。它同时还意味着量子引力能够展示出所谓的全息性①。
全息术基本上是波模式的干涉现象。当从单一激光来的光被分成分离的两束（a）和（b）时产生全息像，其中一束（b）从物体（c）反射到一个感光板（d）上，另一束（a）通过一个透镜（e）并且和（b）的反射光相遇，在板上产生干涉模式。
在一束激光透射过那些显影过的感光板时，一个原先物体的完整三维像就会出现，而一位观察者在这个全息像周围移动位置的话，他就能够看到从正常的照片所看不到的隐藏起来的表面。
左面的感光板的二维表面和正常的照片不同，其拥有着让人十分吃惊的一个性质：在其表面的任何微小的碎片中都包含有重建整个像所需要的全部信息。
①全息原理：当得知围绕在黑洞的视界表面积就是黑洞的熵的测度后，有人又提出，在任何闭合的空间区域内，其最大的熵永远不能够超过其外接表面积的1/4，因为熵只不过是包含在一个系统中的总信息的测度，而这就暗示了所有和三维世界中的发生的现象相关联的信息都是能够被存储在它的二维边界上的，就好像是一个全息像一样。从一定的意义上讲，我们的这个世界其实就是二维的。
