1.相對論

相對論是物理學中兩大著名理論之一，是阿爾伯特·愛因斯坦提出的。1905 年愛因斯坦出版了狹義相對論，并確定最終宇宙速度極限：光速，稱時間因某物體移動的速度而實現(xiàn)加速或者減慢。

1916 年愛因斯坦提出了更廣闊的廣義相對論。這個理論建立在狹義相對論之上，主要解決重力的問題，重新定義我們對重力的理解——通過大質(zhì)量天體而造成的時空扭曲。

廣義相對論最準確的描述了整個宇宙中的星系和星系集群的運動。它還預(yù)測了奇怪物體的存在，比如黑洞以及引力透鏡效應(yīng)的現(xiàn)象，后者是指光在經(jīng)過彎曲的時空中會發(fā)生彎曲。如下圖中顯示的星系群阿貝爾-1689，因我們所觀測到的引力透鏡效應(yīng)而聞名。

阿貝爾-1689

2.量子力學

量子力學是非常小的領(lǐng)域——亞原子粒子中的主要物理學理論。該理論形成于 20 世紀早期，徹底改變了科學家對物質(zhì)組成成分的觀點。在量子世界，粒子并非是“小球”，而是嗡嗡跳躍的概率云，它們并不只存在一個位置，也不會從點 A 通過一條單一路徑到達點 B。根據(jù)量子理論，粒子的行為常常像波，用于描述粒子行為的“波函數(shù)”預(yù)測一個粒子可能的特性，諸如它的位置和速度，而非實際的特性。物理學中有些怪異的想法，諸如糾纏和不確定性原理，就源于量子力學。

3.弦理論

弦理論（以及它的升級版超弦理論）認為所有的亞原子粒子都并非是小點，而是類似于橡皮筋的弦。粒子類型的唯一區(qū)別在于弦振動的頻率差異。弦理論主要試圖解決表面上的不兼容的兩個主要物理學理論——量子力學和廣義相對論——并希望創(chuàng)造出描述整個宇宙的“萬物理論”。然而這項理論非常難測試，并需要對我們目前描繪的宇宙進行一些調(diào)整，也即宇宙一定存在比我們所知的四維空間更多的時空維度?？茖W家認為這些隱藏的維度可能卷起到非常小以至于我們沒有發(fā)現(xiàn)它們。

4.奇點

奇點是指時空開始無限彎曲的那一個點?？茖W家認為奇點存在于黑洞中央，一個奇點可能自宇宙大爆炸起宇宙如何開始的起點。比如，在黑洞內(nèi)部，所有恒星的質(zhì)量都在狹小的空間內(nèi)壓縮，甚至可能成為一個單一的點。當代物理學理論認為這個點是無限密集，盡管科學家認為它是因廣義相對論和量子力學的不一致而導(dǎo)致物理學崩潰的產(chǎn)物。事實上，科學家懷疑奇點是非常密集，但并非無限密集。

5.不確定性原理

德國物理學家海森堡 1927 年提出的不確定性原理是量子力學的產(chǎn)物。這項原則陳述了精確確定一個粒子，例如原子周圍的電子的位置和動量是有限制。這個不確定性來自兩個因素。首先測量某東西的行為將會不可避免地擾亂那個事物，從而改變它的狀態(tài)。其次，因為量子世界不是具體的，但基于概率，精確確定一個粒子狀態(tài)存在更深刻、更根本的限制。

6.薛定諤的貓

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學家薛定諤于 1935 年提出的理想實驗的名字，它描述了量子力學的真相：粒子的某些特性無法確定，直到測量外力迫使它們選擇。整個實驗是這樣進行的：在一個盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。在一小時內(nèi)，大約有 50% 的概率放射性物質(zhì)將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，剩下 50% 的概率是放射性物質(zhì)不會衰變而貓將活下來。

根據(jù)經(jīng)典物理學，在盒子里必將發(fā)生這兩個結(jié)果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。但在量子力學的怪異世界里，貓到底是死是活都必須在盒子打開后，外部觀測者“測量”具體情形才能知曉。當盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個系統(tǒng)則一直保持不確定性的狀態(tài)，貓既是死的也是活的。這項實驗旨在論證怪異的量子力學，當它從粒子擴大宏觀物體，諸如貓，聽起來非?；闹?。

7.量子糾纏

糾纏是關(guān)于量子力學理論最著名的預(yù)測。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠距離，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)。當其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

阿爾伯特·愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠距作用”（spooky action at a distance）。但這并不僅僅是個詭異的預(yù)測，而是已經(jīng)在實驗中獲得的現(xiàn)象，比如科學家通過向兩個處于室溫的糾纏的小鉆石發(fā)射激光（下圖中綠色）?？茖W家希望未來能夠建造量子計算機，利用粒子糾纏進行超高速計算。