传统的宇宙大爆炸理论认为，宇宙起源于一个奇点，在奇点处，物质密度与时空曲率都趋于无穷大。然而，奇点的存在是广义相对论的缺陷，它意味着现有理论无法描述宇宙的初始时刻。
m理论的膜宇宙学，提出了一个全新的宇宙起源模型——火劫宇宙模型（Ekpyrotiiverse model），后来发展为循环宇宙模型（cycliiverse model）。
火劫宇宙模型的核心思想是：我们的宇宙，是由两个平行的3膜碰撞产生的。
在11维时空中，存在着两个相互平行的3膜，它们在额外维度中缓慢地相互靠近。在碰撞之前，两个膜都处于低温、低密度的状态，膜上的宇宙是一个平静的、收缩的宇宙。当两个膜发生碰撞时，碰撞产生的巨大能量，使得膜上的物质温度急剧升高，密度迅速增大，这就是我们所感知的“宇宙大爆炸”。
碰撞之后，两个膜相互反弹，开始远离对方。膜上的宇宙开始膨胀，温度逐渐降低，粒子逐渐形成，星系、恒星、行星逐渐演化——这就是我们现在所处的宇宙。
循环宇宙模型则进一步提出，膜的碰撞是周期性的。两个膜会在额外维度中不断地靠近、碰撞、反弹、远离，再靠近、再碰撞……每一次碰撞，都会产生一个新的宇宙大爆炸，每一次反弹，都会导致宇宙的膨胀。我们的宇宙，只是无数次循环中的一次。
膜宇宙学的优势在于，它避免了宇宙大爆炸的奇点问题。在膜碰撞模型中，宇宙的初始状态是低温、低密度的，不存在无穷大的密度和曲率，这使得宇宙的起源可以用物理理论来描述。此外，膜宇宙学还可以解释宇宙的加速膨胀——膜之间的引力相互作用，可以导致膜上的宇宙加速膨胀。
3.3 黑洞的弦论图景：膜与黑洞的对应
黑洞是广义相对论预言的一种极端天体，它的引力极强，以至于任何物质，甚至光，都无法从它的视界内逃逸。黑洞的中心，存在一个奇点，这是广义相对论的“盲点”。
超弦理论为理解黑洞提供了新的视角。在m理论中，黑洞可以被描述为膜的束缚态——不同维度的膜，可以通过相互作用，形成一个稳定的、具有引力效应的物体，这就是黑洞。
1996年，物理学家安德鲁·斯特罗明格（Arominger）和卡姆朗·瓦法（cumrun Vafa）利用弦论和m理论的工具，计算了一类特殊黑洞——极端黑洞（Extremal black hole）的熵。
黑洞的熵，是黑洞的一个重要热力学性质，它与黑洞的视界面积成正比，这就是着名的贝肯斯坦-霍金熵公式：
S = \frac{k_b A}{4G\hbar}
其中，k_b是玻尔兹曼常数，A是黑洞的视界面积，G是引力常数，\hbar是约化普朗克常数。
斯特罗明格和瓦法通过计算极端黑洞对应的膜的量子态数目，得到了黑洞的熵，结果与贝肯斯坦-霍金熵公式完全一致。这一计算，是超弦理论的重大胜利——它首次将黑洞的热力学性质与弦论的量子态联系起来，证明了超弦理论可以描述黑洞的量子行为。
此外，超弦理论还预言，黑洞并非永恒的，它会通过霍金辐射逐渐蒸发。在弦论的框架下，霍金辐射可以被理解为：弦在黑洞的视界附近，会分裂成两根弦，一根弦落入黑洞内部，另一根弦则逃逸到外界，形成霍金辐射。
超弦理论对黑洞的描述，为解决黑洞信息悖论提供了新的思路。黑洞信息悖论是指：当物质落入黑洞后，其携带的信息会消失，这与量子力学的信息守恒定律相矛盾。在弦论中，信息并没有消失，而是被编码在黑洞的膜结构或额外维度的几何形状中，当黑洞蒸发时，信息会被释放出来。
第四章 超弦理论与宇宙的基本结构：统一四大相互作用
4.1 四大相互作用的弦论统一
宇宙中存在着四种基本相互作用：引力、电磁力、强核力、弱核力。这四种相互作用的强度和作用范围差异巨大：引力的作用范围无限，但强度最弱；电磁力的作用范围无限，强度次之；强核力的作用范围极短（约10-15米），强度最强；弱核力的作用范围更短（约10-18米），强度介于电磁力和引力之间。
在超弦理论诞生之前，物理学家们已经成功地将电磁力、强核力、弱核力统一在标准模型的框架下。标准模型是一个量子场论，它描述了这三种相互作用的基本规律，预言了希格斯玻色子的存在，并被大量实验所证实。然而，标准模型无法包含引力，这是它的致命缺陷。
超弦理论的终极目标，是将四种基本相互作用统一在一个理论框架内。在超弦理论中，四种基本相互作用，本质上都是弦的振动模式的传递：
- 引力：由闭弦的一种振动模式——引力子传递。引力子的自旋为2，质量为零，它的振动模式对应着时空的弯曲。
- 电磁力：由开弦的一种振动