在十九世纪的最后一天，欧洲的著名科学家齐聚一堂，为了迎接二十世纪的到来。在这次“众星云集”的聚会之上，威廉·汤姆逊（开尔文男爵）发表祝词并进行演讲：开尔文总结了物理学的发展，到目前为止大部分的力学现象都已经可以应用经典力学进行解释，牛顿力学三定律深入人性应用广泛；而在电磁领域麦克斯韦的电磁场理论也可以解释分析基本的电磁现象；而热力学和统计力学的发展，可以对自然界中的热现象进行解释说明。可以说经典力学、经典电磁学和经典力学已经逐渐地搭建起经典物理学大厦。但是开尔文话锋一转，对二十世纪物理学的发展方向进行了展望，在经典物理学天空之上还存在着两朵乌云，这两朵乌云分别是“迈克耳逊-莫雷实验打破了牛顿的以太说”和”黑体辐射实验结果与理论的不一致“，这两朵乌云发展出了二十世纪物理学的两大支柱相对论和量子力学。
物理学的奇迹年和“十年磨一剑”
时间来到1905年，这一年在现代又被称为物理学的奇迹年。在这一年爱因斯坦26岁，这个年纪对于现代人来说可能也就是正在攻读研究生吧！在这一年里爱因斯坦先后发表了5篇高水准的论文，这五篇论文开启了物理学的新纪元。它们分别是：
1、分子大小的新测定
2、分子热运动中静止液体中悬浮小粒子的运动（验证解释了布朗运动）
3、论运动物体的电动力学（狭义相对论）
4、物体的惯性和它所含有的能量关系
5、关于光的产生和转化的一个试探性观点（获得1921年诺贝尔物理学奖，开启了量子力学）
狭义相对论有这么几个关键点：在任何惯性系中，所有物理规律不变；光在真空中速度恒为C；洛伦兹变换；同时性的相对性；时间膨胀、空间上收缩；洛伦兹变换……在上边这几个关键词中大家对于时间膨胀应该是了解最多的，因为经常会有科普文章介绍这个时间膨胀，简单的理解就是物体的运动速度影响了时间的流逝速度，运动速度越快时间流逝速度越慢。
大约十年后也就是1915年爱因斯坦把引力加人自己的理论体系，提出了广义相对论，其核心观点就是时空弯曲，例如黑洞、引力波、虫洞等都是广义相对论研究的内容。2015年9月14日人类首次发现引力波信号，在当年的12月26日人类第二次发现引力波信号，这些都是爱因斯坦大约在100年前预言的。
“薛定谔的猫”阴差阳错地成为了量子力学的代名词
现在经常有人提及这个“薛定谔的猫”思维实验，讲述的是一个猫既死又活叠加态的故事。这个思维实验的提出是有历史背景的，当时量子力学发展到了一个岔路口，因为量子力学哥本哈根派的加入，对于量子力学的诠释让爱因斯坦等一众物理学家感到不可思议。不仅仅把人为的观测扯入了实验结果当中，并且提出了不确定性原理。爱因斯坦等一众科学家坚持的是“一个中心，两个基本点”：因果律、定域性、客观实在性。哥本哈根派的这一系列诠释，爱因斯坦接受不了，因此发出了“上帝还掷骰子吗？”的言论。而薛定谔紧随其后提出了薛定谔的猫思维实验，目的是用猫处在“既死又活的叠加态”用以嘲讽对比哥本哈根派“量子既A又B的性质”。
爱因斯坦和玻尔在参加索尔维会议路上
当然了爱因斯坦和量子力学根本哈根派的较量中输了，量子力学仿佛脱胎换骨走上了一个老一派物理学家难以接受又不得不承认的新道路。
二十世纪物理学的两大支柱在各自适用领域大放光芒
我们可以从大尺度下认识宇宙，例如恒星、星系、星系团、超星系团，目前的可观测宇宙直径已经达到了930亿光年，这些都是在相对论提供的理论框架之下。同时我们也在逐渐地了解微观世界，敲开原子跑出原子核和电子，原子核内的中子和质子可以继续敲开，会跑出不一样的夸克。这些基本粒子都是量子力学在研究的，相对论是完全插不上手的。对于四大基本作用力：电磁力、强力、弱力、引力，其中前三种在某种意义上来说已经被量子力学统一了，也就是粒子物理标准模型，既解释了物质的基本组成，又要统一四大基本作用力（目前提出的引力子尚无法确定）。而广义相对论对于引力的本质解释很简单，就是时空弯曲的外在表现，最贱的的一句话就是：质量告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。
但是当把量子力学和相对论往一起捏的时候就发生了严重的问题，两个代表性理论根本是不相容的，例如宇宙中的极端特例黑洞，在黑洞中心存在的奇点满足“小而重”的概念，但是用相对论和量子力学共同研究的时候都不能完美的解释“奇点”。这意味着有新的理论有待发现，它可以统一量子力学和相对论。
弦理论成为统一量子力学和相对论的最佳“候选人”
爱因斯坦在生命的后半段就主要研究了统一场论，但爱因斯坦那个时代只有引力和电磁力，而强力和弱力还没有被发现。弦理论是一种广泛概念的理论，它最初发展于二十世纪六十年代，被一个名为维尼齐亚诺的意大利物理学家偶然发现，这个时候弦理论认为宇宙是26维时空的，而随着发展超对称的加入变成了超弦理论，该理论认为宇宙是10维时空的，而最新的M理论统一了五种条件下的超弦理论认为宇宙是11维时空的。目前M理论是弦理论中最新的理论，认为我们生活的4维时空是宏观的，而剩下的七个维度空间蜷缩在微观世界，在普朗克尺寸之下，目前的观测技术无法看到。
在粒子物理标准模型中，宇宙的基本组成被看作是一个个没有内部结构的基本点粒子，并且这个模型的预言在微观世界百亿亿分之一米的尺度上得到验证，但是遗憾的时候没有包括引力。而弦理论认为宇宙的基本构成要素是一根根有着不同振动频率的弦，这些弦非常小远在普朗克尺寸之下。这样的解释设定可以把相对论和量子力学扯到一个新的和谐框架中，在这里它们不再发生矛盾。四大基本作用力和宇宙的基本组成，在个理论框架中都可以统一，这是成为万物理论的关键。
但是M理论提出的所有预言都很难被实验发现或者证实，该理论目前只存在于数学公式中，目前关于弦理论的实验观测应该是寻找超对称粒子，寻找这种粒子关键性的设备就是大型的粒子对撞机，没有设备一切都是免谈。M理论虽然具备着成为万物理论的条件，但是在未来的发展道路上还需要做很多的工作，希望M理论的发展可以把人类文明带到更高的高度，更高有多高？一直在路上就好。
文/科学黑洞，图片来源网络侵删。
