没有相对论，量子力学是失败的

撇开哲学问题不谈，20世纪30—40年代，量子力学就像一辆势不可挡的麦克卡车行驶在高速路上，将困扰物理学家几个世纪的所有问题变得简单。一个傲慢的年轻量子物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）激怒了许多化学家，他狂妄地说，“量子力学可将化学中的一切简化为一组数学方程。”

然而，量子力学本身并不是一种完全的理论。我们应该小心地指出，只有当物理学家用量子力学分析那些比光速低得多的微观世界时它才起作用。当它试图包含狭义相对论时，麦克卡车撞上了砖墙。

从这个意义上说，量子力学在20世纪30—40年代的恢弘的成功只是侥幸。氢原子中的电子的速度通常比光的速度低很多。如果大自然创造的原子的电子速度接近于光速，狭义相对论将变得越来越重要和正确，量子力学却显得不那么成功了。

在地球上，我们很少能看到接近光速的现象。量子力学在解释日常生活方面很有价值，比如，激光器和晶体管。然而，当我们分析宇宙中超快速的和高能粒子时，量子力学将让步于相对论。

想象一下，在赛道上驾驶丰田汽车如出现以下情况——车速慢于每小时100英里时，车会表现得良好；当你试图以每小时150英里的速度行驶时，汽车可能会抛锚甚至失控。这并不意味着我们对汽车工程的理解已经过时，车必须被扔掉；相反，对于超过每小时150英里的速度，我们需要一辆经过彻底改装的汽车使其能应付如此高的行进速度。

同理类推，当处理远低于光速的速度时，狭义相对论可以忽略，科学家们发现此时的测量与量子力学的预测一致。当处理高速问题时，量子理论失效了，量子力学必须与相对论结合。

量子力学和相对论的第一次联姻是个灾难，当时，创造了一个疯狂的理论（称“量子场论”）。几十年来，它仅产生了一系列毫无意义的结果。例如，每一次，物理学家试图计算电子碰撞会发生什么时，量子场论都会预测电子碰撞为无限值。

量子力学和相对论的完全结合，必须包括狭义相对论和广义相对论，这是本世纪的一个重大的科学问题，只有超弦理论声称能解决它。

仅只有量子力学是有限的，就像19世纪的物理学家，只针对点粒子而不是超弦。

高中，我们学习力场，如重力场和电场服从“平方反比定律”——距离粒子越远，重力场和电场越弱。例如，离太阳越远，引力作用越弱。然而，这同时意味着，当人们接近粒子时，该力会急剧上升。事实上，在一个点粒子的表面，点粒子的力场必须是零平方的倒数，也就是1/0。然而，像1/0这样的表达式是无限的，定义不清。这足以使理论变得无用，包含不定式的理论无法计算，因为结果不可信。

不定式的问题困扰了物理学家50年。只有超弦理论出现，这个问题才能得到解决，因为超弦消除了点粒子，用弦替换了它们。海森堡和薛定谔所做的最初假设——量子力学应该建立在点粒子上——太严格了。一个新的量子力学可以建立在超弦理论的基础上。

然而，设法将狭义和广义相对论与量子力学结合起来的理论的机制只能在弦中被发现其迷人的特征，我们将在下面的章节详细讨论。