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量子涨落
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不确定性原理允许存在全空无一物的空间（即纯粹空间）中随机地产生少许能量，前提是该能量会在很短的时间内重归消失。
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为了处理普朗克长度上的物理预测，我们需要一个新的理论框架，它必须把量子力学与引力理论融合到一起，这个新的综合性理论就是量子引力理论。统治普朗克长度的物理规律必须与在可观测的尺度上得到验证的物理规律截然不同。对这个尺度的理解必须引入令人信服的科学范式变化，正如由经典物理学过渡到量子力学时产生的变化一样。即便我们在最小的尺度上不能进行任何观察，我们也有机会通过日益发展的理论推演，得知一些有关引力、空间与时间的基本理论。
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其中最流行的理论被称为弦理论。早期的弦理论是用基础弦取代基本粒子而构建的。我们现在知道，弦理论也引入了许多弦之外的基本事物（我们将在第17章详细介绍），它的名字也有时会变迁为更广泛（然而定义不那么明确）的术语，即M-理论。这个理论是现在解决量子引力问题最有希望的理论。
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弦理论面临许多在观念上与数学上的挑战。现在还没有人知道如何构建能回答所有问题的弦理论，而这些问题都是我们希望量子引力理论可以回答的。此外，弦理论的尺度10-33 厘米有可能超出了我们能想象出来的任何实验之所能及。
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所以，一个合理的问题是：从合理花费时间与资源的角度来看，引入弦理论是合理的吗？我经常被问及这个问题。我们为什么要研究一个实验所不能及的理论呢？某些物理学家在数学和理论物理上都已经找到了足够一致的理由。那些人认为他们可以重现爱因斯坦在发展广义相对论时的那种成功，这大部分基于纯粹的数学与理论物理推导。
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另一个研究弦理论的动机（我认为它很重要）是，它可以为我们在可观测的尺度上思考新观念，提供新的方法。其中的两个观念分别是超对称理论与额外维度理论（我们将在第17章中探讨）。如果牵涉到粒子物理学中的问题，那么这些理论确实有着可供验证的实验结果。事实上，如果确定的额外维度理论被证实，并可以解释大型强子对撞机能标上的现象，即便是弦理论的证据也有可能在更低的能标下出现。超对称性或额外维度理论的发现并不会被弦理论证实，然而它们却是通过缺乏直接实验结果时，仅靠思想抽象工作有效性的一个有力确证。当然它也会是研究中实验功用的确证，即便那些研究原本是由看似抽象的观念出发得来的。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950060]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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只有在可以“看到”物质内部结构的工具被发明出来之后，科学家才得以解读物质的构造。“看到”这个词并非指直接观察，而是人们用以观测肉眼所不能见的尺度的间接测量技术。
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这往往很复杂。尽管实验结果往往充满挑战而且不直观，其实在性却毋庸置疑。物理定律（即便是在小尺度下）可以指出可测量的结果，而这些结果最终将被更高级的研究所发现。现在有关物质及其相互作用的知识是多年来的灵感、创新和理论发展的顶峰，使我们可以始终如一地解释各种实验结果。通过由伽利略在数个世纪前提出的间接测量方法，现在的物理学家们已经推断出了物质的核心是什么。
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我们接下来将要探索粒子物理学的现状以及引导我们至今日之态的理论洞见与实验现象。无疑，当我罗列出组成物质的要素及其发现方式时，这种描述看上去会像一张清单。当我们注意到不同尺度上这些不同要素行为之间的差异时，这张清单就变得更加有趣了。你所坐的椅子最终可以被还原成这些元素，但这个过程本身却复杂无比 。
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正如理查德·费曼俏皮地描述他的一个理论时所述[1] ：
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如果你不喜欢它，那么就去别处——也许其他宇宙的规则会更加简单……我将要告诉你的理论是适用于人类的，他们为了理解这些理论付出了无比艰辛的努力。如果你不喜欢它们，那这真是糟透了。
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也许你认为一些我们相信是事实的东西太过冗杂或者疯狂，以至于你不愿意接受它们。然而你的这种想法并不会改变自然界的确如此运作这一事实。
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我们需要更小的波长
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小尺度似乎很奇怪，因为它是人类所不熟悉的。我们需要探测器以观测小尺度上发生的事情。你正在阅读的这一页书（或者电子屏幕，如果你看的是电子版）的样子与真实存在于物质核心的事物极为不同。这是因为人类的“观看”这一特定动作需要依赖可见光。这些光由围绕着居于原子中央原子核在其轨道上旋转的电子发出。在图5-2中，可见光的波长是不足以让我们看到原子核内部样子的。
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我们需要更高级的手段（或者变得更冷漠，这取决于你如何看待这件事）来探测核子在小尺度上所发生的事情。我们需要更小的波长。要相信这一点并不难。我们来想象一种虚构的光波，它的波长与宇宙等长，这种波的任何作用都不可能提供任何足以确定事物空间位置的信息。除非这种波之中有能决定宇宙结构的更小的振动，否则我们就完全无法以这种波长的波为媒介来确定特定位置上的任何事物。这有点像用一张网覆盖一堆东西，然后试图在一团杂乱中找到被藏于其下的钱包的准确位置。你不可能找到钱包，除非你在更小的尺度看向内部，在更高的分辨率下去找它 。
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使用光波，你需要其有着正确间隔的波峰与波谷，即我们试图决定的不论什么事物尺度的变化，以确定某个事物的位置或者它的大小与形状可能的样子。你可以认为波长就是这张网的大小。如果除了它里面有一些东西之外我们一无所知，那么我就可以确定，只有当我们试图寻找的东西的大小与这张网同样大时，我们才能确定它。如果想要获得更多的信息，你需要一张更小的网，或者其他在更灵敏的尺度上搜寻更多变化的手段。
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量子力学告诉我们，波函数描述了在任何给定位置找到某个粒子的概率。这种波函数可能与光相关，或者是量子力学告诉我们的被单个粒子秘密携带的那种波。那些波的波长告诉我们使用粒子或者辐射探测小尺度时可能获得的结果。
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量子力学还告诉我们，波长越短，需要的能量就越高。这是因为它与频率相关，而这直接决定能量[24] ，所以频率最高、波长最短的波携带的能量最高。因此，量子力学把高能标与小尺度联系在一起，只有在高能标下运作的实验才能探测到物质的内部运作机理。如果我们希望探测物质的基本核心，那么这就是我们需要把粒子加速到极高能标探测器的最基本理由。
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量子力学的波函数关系式告诉我们，足够高的能量可以让我们探测到小尺度上的事物，以及相应尺度上发生的相互作用。只有使用更高的能标（因此必须有更短的波长），我们才能研究那些更小的尺度。量子力学中的不确定性原理告诉我们，小尺度与大动量相联系，而狭义相对论为我们提供了能量、质量与动量之间的关系，它们一起使得这些联系变得精确起来。
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在这些的基础上，爱因斯坦告诉我们，质量与能量是可以相互转化的。当粒子之间碰撞时，它们的质量可以转变为能量。所以在更高的能标上，根据E=mc2 ，更重的物质可以产生出来。这个方程意味着，更高的能量E允许具有更高质量m的更重粒子产生，而这种能量是普遍存在的，它可以产生任何在运动学上可以理解（或者说足够轻）类型的粒子。