در ابتدای قرن بیستم دو نظریه مهم در فیزیک پایه گذاری شد ، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت. برخلاف موفقیت های فراوانی که هرکدام از این نظریه ها بطور جداگانه بدست آورده اند ، با یکدیگر ناسازگار به نظر می رسند. این تنا قض در قلب فیزیک نظری همچنان یکی از جنجا لی ترین مطالب علم است.
نظریه نسبیت عام در محاسبه دقیق گرانش موفق عمل می کند. اگر در میدان گرانش ، مکانیک کوانتومی را بکار بگیریم ، به گرانش کوانتومی دست می یابیم. در نگاه اول ساختن نظریه گرانش کوانتومی مشکلتر از نظریه الکترودینامیک کوانتومی به نظر نمی رسد. الکترودینامیک کوانتومی نیم قرن پیش ابداع شد. اساس الکترودینامیک کوانتومی توصیف نیروهای الکترومغناطیسی برحسب تبادل ذراتی است که آنها را فوتون می نامیم. بعبارت دیگر کوانتای میدان الکترومغناطیس است. این فوتون ها گسیل شده و بلافاصله جذب می شوند. در نتیجه گسیل و جذب فوتون ها انرژی و اندازه حرکت ذرات ثابت نمی ماند. بنابراین دافعه الکتروستاتیک بین دو الکترون را می توان در نتیجه گسیل فوتون از یک الکترون و جذب آن توسط الکترون دیگر دانست.
بطور مشابه می توان جاذبه گرانشی بین دو جسم را در نتیجه تبادل «گراویتون» ، یعنی کوانتای میدان گرانشی ، دانست. این واقعیت که تاکنون گراویتون با هیچ وسیله ای آشکار نشده است ، چندان تعجب آور نیست ، چون نیروی گرانشی بسیار ضعیفتر از نیروهای الکتریکی و مغناطیسی است. ثابت میشود که تبادل گراویتون ها بین جرمهای نقطه ای باعث ایجاد میدان گرانشی با قانون معروف عکس مجذور فاصله میشود.
اما هنگامیکه فرآیندهای پیچیده تر ، که در آنها تعداد زیادی گراویتون وجود دارد ، در نظر گرفته شود مشکلی بوجود می آید. یک فرق مهم بین میدان گرانشی و الکترومغناطیسی وجود دارد. میدان گرانشی غیر خطی است. این غیر خطی بودن از آنجا ناشی می شود که میدان گرانشی شامل انرژی است و این انرژی دارای معادل جرم است که بین آن جرمها مجددا ً گرانش وجود دارد. به زبان کوانتومی این مطلب به این نکته دلالت دارد که گراویتون ها با گراویتون های دیگر اندرکنش می کنند ، در حالیکه فوتون ها تنها با بارهای الکتریکی و جریانها اندرکنش دارند و با هیچ فوتون دیگری اندرکنش نمی کنند. چون بین گراویتون ها اندرکنش وجود دارد می توان گفت که ذرات مادی با شبکه پیچیده ای از گراویتون ها احاطه شده اند که حلقه های بسته ای را تشکیل می دهند ، مانند یک درخت پر از شاخ و برگ!
در نظریه میدان کوانتومی حلقه های بسته نشانه دردسر می باشد و موجب تولید جوابهای بینهایت در محاسبه ی فرآیندهای فیزیکی می شوند. در الکترودینامیک کوانتومی این مسئله هنگامی بوجود می آید که یک الکترون فوتونی را گسیل و مجددا ً جذب کند. بینهایت های بدست آمده را با یک روش ریاضی به نام «بازبهنجارش» برطرف می کنند. اگر این روش بدرستی بکار گرفته شود ، جوابهای قابل قبولی بدست می آید. چون در الکترودینامیک کوانتومی جوابهای بینهایت را می توان با این روش مشخص برداشت به آن یک نظریه «بازبهنجارپذیر» می گویند. روش یاد شده مجموعه ای از اعمال ریاضی است که برای برداشتن بینهایت ها کافی است.
متاسفانه هنگامیکه مکانیک کوانتومی را در نسبیت عام بکار می گیریم چنین روشی وجود ندارد. بنابراین در این حالت نظریه «بازبهنجارناپذیر» است. هر فرآیند شامل حلقه های بسته بیشتر و بیشتری از گراویتون ها خواهد بود که موجب جملات بینهایت بیشتری می شود. وجود این جملات بینهایت باعث می شود نظریه گرانش کوانتومی برای بررسی اکثر پدیده های طبیعی بی استفاده شود و این فکر را بوجود آورد که چیزی اساسا ً در نظریه نسبیت عام یا مکانیک کوانتومی و یا هر دو غلط است.
در چند دهه گذشته تلاش های زیادی برای گریز از بازبهنجارناپذیری در گرانش کوانتومی شده است. برجسته ترین آنها نظریه ی «ابرریسمان» است. این نظریه بر این فرض بنا شده است که کوچکترین چیزی که دنیای فیزیکی از آن ساخته شده است ذرات نیستند ، بلکه حلقه های ریسمانی می باشند که 20^10 بار کوچکتر از هسته اتم هستند. مدهای ارتعاشی مختلف این ریسمان ها را می توان به ذرات گوناگونی مانند الکترونها ، کوارکها ، نوترینو ها ، فوتون ها ، گراویتون ها و دیگر ذرات نسبت داد. بین ریسمان ها مانند ذرات اندرکنش وجود دارد ، اما وقتی فرآیندهایی که شامل حلقه های بسته باشند مورد امتحان قرار گیرند ، جوابهایی که بدست می آید دیگر بینهایت نیستند.
مقیاس انرژی ها در نظریه ی ریسمان از مرتبه 10^19 Gev است. این انرژی 10^17 بار بیشتر از انرژی ای است که در حال حاضر بزرگترین شتاب دهنده های ذرات می توانند تولید کنند. بنابراین به نظر می رسد که مشاهده ی ساختار ریسمانی ماده غیر ممکن باشد. فیزیکدانان نظری امید دارند که در حد انرژی های کمتر و قابل دسترس بتوانند نظریه های فیزیکی آشناتر مانند نسبیت عام ، الکترومغناطیس ، نیروهای ضعیف و قوی هسته ای و ذرات بنیادی آشنا را بعنوان تقریب هایی از نظریه ابرریسمان یک توصیف پذیرفته شده از گرانش کوانتومی نیست ، بلکه تلاشی برای وحدت نیروها و ذرات طبیعت است.
متاسفانه تاکنون نظریه ابریسمان واحدی وجود ندارد و همچنین حد پایین انرژی واحدی نیز برآورده نشده است. برای مدتها این مسئله مانند یک مانع بزرگ می نمود اما در سالهای اخیر یک راهکار ریاضی مجرد به نام «نظریهM » ساخته شده است و معلوم شده که این نظریه ، نظریه های ابرریسمان گوناگون را در بر می گیرد.
هنوز زود است که گفته شود نظریه ی M در نهایت بین گرانش و کوانتوم آشتی ایجاد کرده است ، ولی اگر این نظریه مطابق انتظارات باشد می بایست واقعیتهای بنیادی دنیای فیزیکی را توضیح دهد. بعنوان مثال فضا ـ زمان چهار بعدی می بایست از نظریه بیرون بیاید ، بدون آنکه خودمان آنرا به نظریه بیفزایم. نیروها و ذرات طبیعت نیز می بایست بر اساس خواص کیلدی شان مانند قدرت اندرکنش ها و جرم هایشان توضیح داده شوند. به هر صورت تا زمانیکه نتوان در حد انرژی شتابدهنده های موجود نظریه ی M را مورد امتحان قرار داد ، این نظریه در حد یک تمرین زیبای ریاضی باقی می ماند.