※「M」理論的意義：
M理論的「M」字是取自於膜（membrane），也可以解釋為Magic（魔術）、Mystery（神祕）及Mother theory（源母理論）。
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1.第11個維度
1994年，維騰與湯森德從數學上發現一個存在11維度的理論。維騰證明，如果我們再11維度取一個膜樣理論，把其中一個維度捲曲起來，那麼它就變成一個10維度的IIA型弦理論。
事實上，五個弦理論全都是這種情況，同樣是這個神祕的11維理論的近似版本。由於不同類型的膜可以存在於11維度中，維騰便將此理論稱作「M理論」。不但可以把五種弦論統一，還可以解釋超重力之謎。
如下圖所示。假如我們觀察一個11維球體，從11維膜上切下或捲起一個維度後，一個10維度的弦便脫穎而出。在其中一個維度坍縮後，膜上的中緯線變成了弦。這種簡約過程可以通過五種方式實現，從而產生了五種不同的10維度超弦理論。
如下圖所示。假如我們觀察一個11維球體，從11維膜上切下或捲起一個維度後，一個10維度的弦便脫穎而出。在其中一個維度坍縮後，膜上的中緯線變成了弦。這種簡約過程可以通過五種方式實現，從而產生了五種不同的10維度超弦理論。
2.從弦論到M理論
在理論物理學中，M理論是弦理論的一種延展理論，認為描述完整的物理世界一共需要十一個維度，超過弦理論所需要的十維，該理論統合了五種弦理論，並成為終極的物理理論。
愛德華·維騰提出的M理論，同時使用它解釋了一批先前觀察到的對偶性，啟動了一波弦理論的研究熱潮，在弦理論發展史當中被稱為第二次超弦革命。
M理論的完整描述事實上並不存在，低熵動力學認為M理論當中的超重力是與二維膜及五維膜交互作用的結果。這個構想是超對稱理論在十一維當中的獨特延伸，在設定的邊界條件成立下，包含了低熵含量物質及交互作用完全確定下，由於新維度的出現導得「耦合常數」的增加，可推演出強耦合極限的IIA型弦理論。1970年代，學者歸類十維空間中，只有兩種超重力論，分別是IIA型與IIB型。IIA型超弦理論的低能極限正是IIA型超重力論，而IIB型超弦理論的低能極限正是IIB型超重力論。混和SO（32）弦理論及混和E8×E8弦理論在低能逼近時也剛好對應到IIA型超重力論與IIB型超重力論。這建議了在混和弦理論、I型弦理論與II型弦理論之間，具有一定程度的關聯性。
1994年，維騰指出了以下關連性：IIA型超重力論（對應到混和SO（32）弦理論及IIA型弦理論）可透過將十一維超重力論緊緻化維度降階而得到。這意味在一個學習十一維超重力論者的觀點中，時空是一個十維時空加上一個被緊緻化流形的維度，十維時空的描述則成為IIA型超重力論。而IIB型超重力論則可以透過T對偶性而導得。不過，十一維超重力理論本身並不自洽；它在高能的狀態下，展現出許多不合理的運動，看似還需要在理論完備發展上加把勁。這看起來似乎是有個量子理論在十一維當中，其低能極限的理論與十一維超重力論有關連性，而透過緊緻化降階，則與十維弦理論有關連性。將維度緊緻化成封閉流形導出IIA型弦理論，而將維度緊緻化成線段則導出混和SO（32）型弦理論。
1995年以前，一共有五種已知的自洽超弦理論（本文此後均稱之為超弦理論），分別稱為I型弦理論、IIA型弦理論、IIB型弦理論, 混和SO(32)（HO弦理論）理論，及混和E8×E8（HE弦理論）理論。這五種理論都有共同的理論基礎特色，因而它們的理論名稱裡面都含有弦理論。每一種弦理論的共同基礎都是基於一種大小約在一維普朗克長度上的震動弦。計算顯示所有的弦理論都需要多於正常四維的時空維度。當這些理論進行細部分析的時候，許多巨大的不同性就顯現出來了。M理論試圖透過檢驗五種弦理論的特定理論特徵與對偶性來統一所有的弦理論，並使得所有五種弦理論都是M理論的特例之一。如同其名稱所暗示的，有些弦理論之間，確實是具有相當的關聯性，在1990年代初，弦理論學家們發現有些關連性可以被認定為是一種一致的特徵理論。
3.M理論的對偶性
(上圖：弦論與M理論之間的對偶性)
IIA型及IIB型弦理論已知是由T對偶性所連貫起來的；這基本上意味著IIA型弦理論對半徑R的弦描述與IIB型弦理論對半徑1/R的弦描述是一致的。這個一致性意義重大，是量子力學本體上的結果，並未包含古典力學的領域。其次，這表示可以透過將弦圈透過許多類方式黏在一起，而在IIA型弦理論所描述的結構，同時也可以在IIB型弦理論裡面以另一種對偶形式被發掘。這表示IIA型及IIB型弦理論有可能是相同的一種理論：任何在IIA型弦論當中被描述的物態，雖然表面形式上看起來不太一樣，IIB型弦理論同樣可以透過不同的形式來描述同一物態，顯然這兩型弦論具有相同的深層機制理論。
在其他弦理論當中也具備有其他對偶性。混和SO(32)及混和E8×E8理論也同樣由T對偶性(把緊緻空間半徑為R的理論與緊緻空間半徑為1/R的理論聯繫起來)所連貫起來；混和SO（32）弦理論描述的半徑R弦圈與混和E8×E8弦理論所描述的半徑1/R弦圈物態是完全一致的。這暗示了實際上只有三類超弦理論，可以稱為I型弦理論、II型弦理論及混和態弦理論。
此外，還有其他的對偶性。I型弦理論與混和SO（32）弦理論則被S對偶性(將一種理論的強耦合極限同另一種理論的弱耦合極限聯繫起來的對偶性)所連貫起來；這意味著I型弦理論當中描述的弱作用粒子可以在混和SO（32）弦理論當中的超強作用粒子當中被發現。這種理論特徵有時很微妙，也就是說，實際上並沒有那麼多種各別的弦理論。即使兩個極端的狀況是對稱的，弦理論學家發現有很強的證據顯示出兩種弦理論實際上其實是同一個弦理論，但是他們沒有辦法在數學架構上找到同時滿足兩個理論的框架型物理數學結構。不過，這種特徵的一致性使得兩個弦理論在某種形式上是連貫的意義變得很明顯；它們看起來像是同一個深層機制理論的不同變化。上述的共通性顯示出其實只有兩種弦理論：混和弦理論（同時也是I型弦理論）及II型弦理論。而這兩種弦理論當中也有關連性，而這些關連性事實上強到足以確認彼此間的共通性。
4.弦論的統一
我們再次整理五種超弦理論的性質如下：
(1) I 型SO(32)弦論：是一種包含開弦的弦論。在10維時空中，這種理論含有一種超對稱性
(N=1)。 開放弦可在端點具備規範自由度，且規範群必然被限定成SO(32)。這種理論含空
間維數為1、5、9的D-膜。
(2) IIA
型弦論：是一種關於閉弦的理論，在10維時空中含兩種超對稱性(N=2)。兩種雌重力子
(重力子的超級夥伴)在封閉弦的世界面上朝相反的方向運動，並且在10維勞倫茲群下，具
有相反的手徵性。所以這實際上是一種非手徵理論。這種理論不涉及規範群，含具有空間維
數為0，2，4，6，8的D-膜。
(3)IIB 型弦論：是一種關於閉弦的理論，含兩種超對稱性，因此N=2。不過在這種理論中，兩
種雌重力子在10維洛侖茲群下具有相同的手徵性。 所以這種理論是一種手徵理論。 這種
理論也不涉及規範群，但包含空間維數為-1，1，3，5，7的D-膜。
(4)SO(32)雜化弦論：是一種封閉弦論。在世界面上沿某個方向運動的世界面場具有某種超對稱
性，而沿相反方向運動的面場不具超對稱性。這導致了10維時空的N=1的超對稱性，非超
對稱的場為弦譜貢獻了無質量的向量玻色子。這種非超對稱場必須具備SO(32)規範對稱性。
(5)E8×E8雜化弦論：與SO(32)雜化弦論基本上相同，但是其規範群是E8×E8。以上雜化弦論不
含D-膜。不過它們的確包含不是D-膜的5-膜孤波。 IIA型和IIB型弦論除包含D-膜外，也
包含這種孤波。 (*基本上來說，O型與E型雜弦屬於混合型弦論，而非單一開弦或閉弦)
弦論是一種多模具框架理論，對偶性來源於如果兩種或多種模型顯現完全不同，但實際上卻給出等同的物理結果，這稱為對偶性。例如從用弱耦合微擾理論描述宇宙的語言這一角度來看，前面5種不同型式的超弦唯像看上去就很不相同，但事實上這5種弦論卻通過各種對偶性相互聯繫著。當兩種理論描述的是同一物理圖景時，就稱這兩種理論具有對偶性。它還分強弱對偶性、S對偶性、T對偶性、U對偶性等等。
T-對偶性指把緊緻空間的半徑為R的理論與緊緻空間的半徑為1/R的理論聯繫起來。於是當在一種理論的物理圖景中有一維度被捲縮成小圓時，在另外一種理論的物理圖景中則有某一維度位於半徑很大的圓上。 然而這兩種理論描述的卻是同樣的物理圖景。IIA型超弦理論和IIB型超弦理論是以T-對偶性相聯繫的，而SO(32)雜化弦和E8×E8雜化弦也是以T-對偶性相聯繫的。
S-對偶性是將一種理論的強耦合極限同另一種理論的弱耦合極限聯繫起來的對偶性。例如SO(32)雜化弦論和I型弦論在10維時空就有S-對偶性。 這意味著SO(32)雜化弦論的強耦合極限就是I型弦論的弱耦合極限，反之亦然。尋求強弱耦合對偶性的證據的方法之一是比較每種物理圖景的輕態譜，看看兩者是否一致。比如I型弦論的D-弦態在弱耦合時具有較大質量，而在強耦合時較輕，這種D-弦與SO(32)雜化弦的世界面傳播同樣的輕態場。於是當I型弦論的D-弦因很強的耦合而變得很輕時，就看到上述雜化弦描述的卻是弱耦合的情形。10維時空中還有一種S-對偶性，那就是IIB型弦論的自對偶性。IIB型弦論的強耦合極限也是IIB型弦論的另外一種弱耦合極限。IB型弦論中也含一種D-弦，這種D-弦在強耦合下變成輕態，不過這種D-弦看上去卻像是IIB型弦論的另一種基本弦。在IIB型弦論中，運動的能量方程有兩種廣義解：D-弦和F-弦或基本弦。D-弦在強耦合下同於弱耦合下的F-弦，這就是所謂的IIB型弦論的自對耦性。
再說1995年威滕提出的M-理論，這種新的11維理論將IIA型弦論和E8×E8型弦論聯繫起來。 而對TSU對偶性及其在不同弦真空中關聯的研究，亦稱M理論。 它揭示出通過一串對偶性的努力，能把所有弦論聯繫起來；反之各種弦理論之間的對偶性，也為所有的弦論都是同一種根本理論的不同描述的論點，提供了強有力的證據。 也說明多模具框架中，每一種描述模具，都有自己的適應範圍。 在某種極限上，一種模具描述失效了，另一種模具描述卻可取而代之。 如當M理論緊緻化到10維時得到ⅡA 型和雜化弦E8×E8，繼續緊緻到9維時所有5種超弦和M理論合併到統一的框架，成為一種對偶性網絡。 (右圖：五超弦加上11維超重力與對偶性形成的M理論)
5.M理論的緊緻化
M-理論描述的是低能物理，這種理論有一2-膜和作為孤波的5-膜，但是卻沒有弦。 那麼如何得到弦呢？ 可以把M-理論的第11維緊緻在一個小圓周上而獲得10維弦論。假如把具有環面拓撲結構的2-膜中的一維限定在這個緊緻圓上，這個2-膜就變成了一種封閉弦。假如這個緊緻圓變得小極了，那麼IIA型超弦就會得以復原。假如把M-理論緊緻在一小線段上，也能得到自洽的10-維理論。所謂緊緻在一小線段上，就是說讓11維中的一維長度有限。 並把線段的端點限定為與9維空間交界的邊界，開放型的2-膜可以這些邊界為終端。 因為2-膜與邊界的交界面是弦，所以每一邊界的9+1維世界體就能包含作為2-膜端點的弦。 這樣做的結果是為消除超引力理論中的「病態」，邊界必須具備E8規範(群)對稱性。 於是，當邊界之間的距離很小時，就得到具有E8×E8規範群的10-維弦論，它就是E8×E8雜化弦論。
如果一個理論的真實性的特徵不是依賴於近似的微擾計算，而是精確的，那麼就稱為是非微擾的。 超弦理論是以微擾論的形式建立起來的，在超弦理論中，和緊緻化相關的一個問題，是如何挑選理論眾多的可能經典解中的一個為實際所取的解。 而為了讓10-維超弦世界同我們這個4-維世界交往，得把這種10維弦論圖景的額外6-維空間緊緻在某個6-維緊緻拓撲流形上，上述卡路扎-克萊因的那一套就變得更加複雜一些。
一種簡單的空間緊緻化的方法，是把這6維額外的維度緊緻在6個圓周上而形成6-維環面，這種方法卻會保留太多的超對稱。為了在4維時空保留最少數量的超對稱N=1，得把10維超弦時空的額外6維空間緊緻在一種特殊的6維拓撲流形上，稱作「卡拉比-丘流形」。 該猜想於1977年被丘成桐所證明。卡拉比-丘流形對於超弦理論很重要，在最常規的超弦模型中，弦論中有十個猜想中的維度，作為我們所知的4個維度出現，再加上某種纖維化，纖維的維度為6。卡拉比-丘n-流形（實維度6）的緊緻化很重要，因為它們保持一些原有的超對稱性不被破壞，亦即保持四分之一的原有超對稱性不變。
6.迴圈量子重力論
利用量子場論的微擾理論來實現重力論的量子化的理論是不能被重整化的。如果主張時空只有四維而從廣義相對論下手，結果可以把廣義相對論轉變成類似規範場論的理論。在此理論下，時空描述是呈背景獨立，由關係性迴圈織出的自旋網路鋪成時空幾何。網絡中每條邊的長度為蒲郎克長度。迴圈並不存在於時空中，而是以扭結的方式定義時空幾何。在該尺度下，時空幾何充滿隨機的量子漲落，因此自旋網絡又稱為「自旋泡沫」，故時空是離散的。
多數弦論學家相信無法在3+1維時空中，將重力量子化而不產生物質與能量有關的人工產物。不過若迴圈量子重力成功，則已知的物質場必須「事後」再加到此一理論中，而不是從理論中自然而然地出現。目前迴圈量子重力聲稱具有的成功之處有：
(1)其為3維空間幾何的非微擾量子化，具有量子化的面積與體積算符。
(2)其包含了對於黑洞熵的計算。
(3)其為弦論以外另一可行的理論，但僅只涉及重力的量子化（即非萬有理論）。
然而，這樣的聲稱尚未被完全接受。迴圈量子重力是有可能成為重力或者是幾何的改進方案；舉例來說，(2)中的熵事實上是針對一種形式的「洞」來做的，這個洞可能(不)是黑洞。
量子力學與廣義相對論是20世紀最具革命性的兩大理論，但兩者卻互不兼容。廣義相對論研究大尺度的物體，而量子力學則掌管著亞原子粒子的微觀世界，一個具有定域性，而另一個則不具備。所以我們需要一個完備的量子重力理論來統一廣義相對論與量子力學，就像電弱統一理論很好地把電磁力與弱交互作用力合併在一起那樣。
7.理論的統一
目前我們已經有了一些局部理論。我們有廣義相對論(重力的局部理論)，以及大統一理論(支配弱核力、強核力、電磁力的局部理論)。尋找一種結合四力的理論主要困難在於，廣義相對論是一種古典理論，也就是它沒有把量子力學的測不準定理合併進來。另一方面，其他局部理論卻必然要仰賴量子力學。因此，我們首先必須把廣義相對論與測不準定理結合起來。難處在於，測不準定理意味著即使是虛無的空間也充滿著虛粒子和反粒子對，這些粒子可能具有無限大的能量，它們的重力將使宇宙彎曲成無限小。
相當雷同的是，其他量子論中也出現看似荒謬的「無限大」，不過這些無限大卻可以在理論中通過「重整」的方法消除。在廣義相對論中，只有重力大小和宇宙常數值這兩個量可以調整，但這兩個量不足以削去所有的無限大，因此出現了「超重力」理論，一種添加幾種粒子的廣義相對論。然而最終，超重力理論消除無限大的過程依舊冗長而難行。由於這個難題，大家轉為支持弦理論。弦論或許可以描述重力，但條件是弦的張力必須非常高(約1039噸)，宏觀尺度下，弦論的預測與相對論恰好相同；倘若是蒲郎克尺度，它們就有所不同了。
研究後發現，弦論雖然也會導致無限大的問題，但卻可能在混雜弦的情況中統統消去。然而最大的問題，是必須在十或十二維時空時，弦論才有一致性。總而言之，在弦論的發展之後，以及M理論相繼問世，描述萬物的圖像似乎趨向完整。也許，弦理論正是「萬有理論」的候選者。真的會有統一的萬有理論嗎？還是我們只是追尋海市蜃樓？似乎有三種可能性：
(1)確實存在完備的統一理論，如果我們有足夠智慧，將有發現它的一天。
(2)不存在宇宙的終極理論，只存有把宇宙描述愈來愈精確的一連串理論。
(3)超出某個範圍，事件便不可預測，種種的理論只是以任意的方式出現。
某些人贊成第三種可能性的理由是：如果存在一套完備的定律，那就會侵犯上帝干預世界的自由。如同古老的一個悖論：上帝會造出一個祂舉不起的石頭嗎？但是上帝可能想改變主意的想法，正如聖奧古斯丁指出的，是把上帝設想為存在的時間中，這是一種謬誤。時間只是上帝創造宇宙的一種性質。上帝創造宇宙時，想必知道自己的意圖。
愛因斯坦曾提出過一個問題：上帝在創造宇宙時有多少種選擇？如果無邊界假設是正確的，那麼上帝在選擇初始條件時根本沒有自由。然而這也不可能真有多少種選擇。一以貫之，而且允許智慧生命存在的完備統一理論，很可能只有一種或很少種。
牛頓曾經說過:「我不時為發現一粒光滑的石子或一片漂亮的貝殼而歡喜，但展現在我面前的是一片尚未被發掘的真理海洋。」我們對上帝創造宇宙只了解冰山一角，其實我們未知的遠比已知的多。
(下圖：我們目前的理論架構)
8.萬有理論
為了解釋宇宙奧秘，自宏觀的星系團、宇宙尺度，乃至於微觀的粒子世界，物理學家們趨向統一理論的研究─「萬有理論」用來指那些試圖統合自然界四種基本交互作用：重力交互作用、強交互作用、弱交互作用和電磁交互作用成為一體的理論，是在電磁作用和弱交互作用連成一體的電弱作用理論之後，再加入強交互作用連成一體的大統一理論基礎之後，又加上重力作用連成一體的理論。目前被認為最有可能成功的萬有理論是弦理論和迴圈量子重力論。
弦論方面，物理學者注意到，在這方面的努力有一個重大障礙，即有非常多可能的四維宇宙。額外維有很微小，並且蜷作一團，可以被緊緻化的方式有很多種（有一個估計得到10500 種方式），每一種會對粒子或作用力給出不同的性質，這一系列知名的模型為弦理論圖景。很多物理學者主張，11維M理論就是萬有理論。五種不同的超弦理論描述它的不同極限。最大超對稱11維超重力描述它的另外極限。但是，對於這論點，並沒有在學術界得到廣泛共識。
至於迴圈量子重力論，將廣義相對論關於時空的概念引入量子場論，因此，它能夠精緻地用數學表述出量子時空，並且對於實際物理問題做出解答。
(*有關時空維度、終極理論的其它面向，將於第十章詳述)
「整個宇宙是一個聯邦，上帝和人類都是它的成員。」
——西塞羅
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