在十九世紀的最後一天，歐洲的著名科學家齊聚一堂，為了迎接二十世紀的到來。在這次“眾星雲集”的聚會之上，威廉·湯姆遜（開爾文男爵）發表祝詞並進行演講：開爾文總結了物理學的發展，到目前為止大部分的力學現象都已經可以應用經典力學進行解釋，牛頓力學三定律深入人性應用廣泛；而在電磁領域麥克斯韋的電磁場理論也可以解釋分析基本的電磁現象；而熱力學和統計力學的發展，可以對自然界中的熱現象進行解釋說明。

可以說經典力學、經典電磁學和經典力學已經逐漸的搭建起經典物理學大廈。但是開爾文話鋒一轉，對二十世紀物理學的發展方向進行了展望，在經典物理學天空之上還存在著兩朵烏雲，這兩朵烏雲分別是“邁克耳遜-莫雷實驗打破了牛頓的以太說”和”黑體輻射實驗結果與理論的不一致“，這兩朵烏雲發展出了二十世紀物理學的兩大支柱相對論和量子力學。

物理學的奇蹟年和“十年磨一劍”

時間來到1905年，這一年在現代又被稱為物理學的奇蹟年。在這一年愛因斯坦26歲，這個年紀對於現代人來說可能也就是正在攻讀研究生吧！在這一年裡愛因斯坦先後發表了5篇高水準的論文，這五篇論文開啟了物理學的新紀元。它們分別是：

1、分子大小的新測定

2、分子熱運動中靜止液體中懸浮小粒子的運動（驗證解釋了布朗運動）

3、論運動物體的電動力學（狹義相對論）

4、物體的慣性和它所含有的能量關係

5、關於光的產生和轉化的一個試探性觀點（獲得1921年諾貝爾物理學獎，開啟了量子力學）

狹義相對論有這麼幾個關鍵點：在任何慣性系中，所有物理規律不變；光在真空中速度恆為C；洛倫茲變換；同時性的相對性；時間膨脹、空間上收縮；洛倫茲變換、、、在上邊這幾個關鍵詞中大家對於時間膨脹應該是瞭解最多的，因為經常會有科普文章介紹這個時間膨脹，簡單的理解就是物體的運動速度影響了時間的流逝速度，運動速度越快時間流逝速度越慢。

大約十年後也就是1915年愛因斯坦把引力加人自己的理論體系，提出了廣義相對論，其核心觀點就是時空彎曲，例如黑洞、引力波、蟲洞等都是廣義相對論研究的內容。2015年9月14日人類首次發現引力波信號，在當年的12月26日人類第二次發現引力波信號，這些都是愛因斯坦大約在100年前預言的。

“薛定諤的貓”陰差陽錯的成為了量子力學的代名詞

現在經常有人提及這個“薛定諤的貓”思維實驗，講述的是一個貓既死又活疊加態的故事。這個思維實驗的提出是有歷史背景的，當時量子力學發展到了一個岔路口，因為量子力學哥本哈根派的加入，對於量子力學的詮釋讓愛因斯坦等一眾物理學家感到不可思議。不僅僅把人為的觀測扯入了實驗結果當中，並且提出了不確定性原理。愛因斯坦等一眾科學家堅持的是“一箇中心，兩個基本點”：因果律、定域性、客觀實在性。哥本哈根派的這一系列詮釋，愛因斯坦接受不了，因此發出了“上帝還擲骰子嗎？”的言論。而薛定諤緊隨其後提出了薛定諤的貓思維實驗，目的是用貓處在“既死又活的疊加態”用以嘲諷對比哥本哈根派“量子既A又B的性質”。

當然了愛因斯坦和量子力學根本哈根派的較量中輸了，量子力學彷彿脫胎換骨走上了一個老一派物理學家難以接受又不得不承認的新道路。

二十世紀物理學的兩大支柱在各自適用領域大放光芒

我們可以從大尺度下認識宇宙，例如恆星、星系、星系團、超星系團，目前的可觀測宇宙直徑已經達到了930億光年，這些都是在相對論提供的理論框架之下。同時我們也在逐漸地瞭解微觀世界，敲開原子跑出原子核和電子，原子核內的中子和質子可以繼續敲開，會跑出不一樣的夸克。這些基本粒子都是量子力學在研究的，相對論是完全插不上手的。對於四大基本作用力：電磁力、強力、弱力、引力，其中前三種在某種意義上來說已經被量子力學統一了，也就是粒子物理標準模型，既解釋了物質的基本組成，又要統一四大基本作用力（目前提出的引力子尚無法確定）。而廣義相對論對於引力的本質解釋很簡單，就是時空彎曲的外在表現，最賤的的一句話就是：質量告訴時空如何彎曲，彎曲的時空告訴物質如何運動。

但是當把量子力學和相對論往一起捏的時候就發生了嚴重的問題，兩個代表性理論根本是不相容的，例如宇宙中的極端特例黑洞，在黑洞中心存在的奇點滿足“小而重”的概念，但是用相對論和量子力學共同研究的時候都不能完美的解釋“奇點”。這意味著有新的理論有待發現，它可以統一量子力學和相對論。

弦理論成為統一量子力學和相對論的最佳“候選人”

愛因斯坦在生命的後半段就主要研究了統一場論，但愛因斯坦那個時代只有引力和電磁力，而強力和弱力還沒有被發現。弦理論是一種廣泛概念的理論，它最初發展於二十世紀六十年代，被一個名為維尼齊亞諾的意大利物理學家偶然發現，這個時候弦理論認為宇宙是26維時空的，而隨著發展超對稱的加入變成了超弦理論，該理論認為宇宙是10維時空的，而最新的M理論統一了五種條件下的超弦理論認為宇宙是11維時空的。目前M理論是弦理論中最新的理論，認為我們生活的4維時空是宏觀的，而剩下的七個維度空間蜷縮在微觀世界，在普朗克尺寸之下，目前的觀測技術無法看到。

在粒子物理標準模型中，宇宙的基本組成被看做是一個個沒有內部結構的基本點粒子，並且這個模型的預言在微觀世界百億億分之一米的尺度上得到驗證，但是遺憾的時候沒有包括引力。而弦理論認為宇宙的基本構成要素是一根根有著不同振動頻率的弦，這些弦非常小遠在普朗克尺寸之下。這樣的解釋設定可以把相對論和量子力學扯到一個新的和諧框架中，在這裡它們不再發生矛盾。四大基本作用力和宇宙的基本組成，在個理論框架中都可以統一，這是成為萬物理論的關鍵。

但是M理論提出的所有預言都很難被實驗發現或者證實，該理論目前只存在於數學公式中，目前關於弦理論的實驗觀測應該是尋找超對稱粒子，尋找這種粒子關鍵性的設備就是大型的粒子對撞機，沒有設備一切都是免談。M理論雖然具備著成為萬物理論的條件，但是在未來的發展道路上還需要做很多的工作，希望M理論的發展可以把人類文明帶到更高的高度，更高有多高？一直在路上就好。