为什么需要统一
物理学有两个基础框架：广义相对论（引力、时空弯曲、宏观尺度）和量子力学（电磁力、弱力、强力，微观尺度）。它们在普朗克尺度（10⁻³⁵ m, 10¹⁹ GeV）下数学上不兼容。结合它们会导致无法消除的无穷大。因此需要一种量子引力理论。弦理论声称提供了这种理论。
什么是弦
在弦理论中，点粒子被微小的一维物体（弦）所取代，长度大约为 10⁻³⁵ m——即普朗克长度。开弦有自由端点；闭弦则是循环状。弦的振动模式决定了它表现为何种粒子：一种模式是光子，另一种是电子，还有一种是引力子（假设的引力载体）。该谱自动包含了表现为引力子的自旋-2粒子——这一事实在20世纪70年代曾令物理学家们兴奋不已。
额外维度
弦理论仅在10维（或M理论中的11维）空间中数学上成立。额外的6个（或7个）空间维度是“紧致化”的——蜷缩得极小，以至于无法在现有可及的能量下被探测到。额外维度的形状决定了物理定律——包括存在哪些粒子、质量是多少以及存在哪些作用力。大约存在 10⁵⁰⁰ 种可能的紧致化形式（“景观”）——理论上几乎任何物理现实都是可能实现的。
问题所在
弦理论的景观意味着它无法做出具体的预测：对于任何观测结果，都存在某种紧致化形式可以产生它。批评者（Lee Smolin, Peter Woit）认为这使得它不可证伪，因此不是科学。捍卫者则辩称这种景观是人择选择——我们观察到的物理定律正是与生命兼容的那部分。经过50年，仍没有任何独特的弦理论预测经受住了实验检验。
常见问题解答
弦理论用简单的术语来说是什么？
弦理论提出所有基本粒子实际上都是微小振动的能量弦，而非点状物体。弦的不同振动模式对应不同的粒子。该理论要求在我们的三维空间之外存在额外的空间维度，并自动包含引力——这使其成为统一所有基本作用力的候选理论。
为什么弦理论尚未被证实？
弦理论在普朗克尺度（10⁻³⁵ m）下运作，其能量大约是 LHC 可达能量的 10¹⁵ 倍。目前没有实验能直接探测它。更根本的问题是，该理论拥有约 10⁵⁰⁰ 种可能解的“景观”，意味着它可以兼容几乎任何实验结果——这使得它难以被证伪。
什么是M理论？
M理论是一个由 Edward Witten 在1995年提出的11维框架，它将五种不同版本的10维弦理论统一为一个单一的框架。“M”代表膜（membrane）、奥秘（mystery）或矩阵（matrix），具体取决于你的提问对象。M理论不仅包含弦，还包含称为膜（branes）的高维物体。它是目前作为完整弦理论的最佳候选者，但其受到的理解程度甚至低于单一的弦理论版本。