M理論最重要的一點就是在超弦理論的基礎上，加入了對非微擾弦的研究。
非微擾弦理論除了一維弦以外，還包括兩維膜、三錐體等高維客體（統稱為膜）。
在龐學林和威滕正式開始研究M理論之前，國際物理學界普遍認為，超弦理論與空間維數大于一的超膜是不同的兩種理論，兩者之間并沒有什么必然聯系。
但隨著龐學林和威滕對非微擾弦理論展開研究之后，他們便發現，在統一量子力學和廣義相對論的基礎上，不僅可以將一維弦和其他超膜聯系起來，同時也將其他超膜統一在了同一個理論框架內。
這些超膜作為該理論的統一動力學客體，特別是當弦的相互作用較大時（即弦在非微擾區域），這些高維膜的動力學效應比一維弦還要來的重要。
這也從一定程度上證明了為什么微擾弦不能給出完整的低能物理理論框架，因為它忽略了更加重要的高維膜的動力學效應。
因此，這半年來，龐學林和威滕，一直在通過龐氏幾何，建立起五種不同超弦理論之間的對偶關系。
所謂對偶，本質上是數學概念，定義如下：若兩邏輯式相等，則它們的對偶式也相等。
在這里，它是指兩種看起來不同的物理理論之間，實際上存在著某種程度的等效效應。
龐學林和威滕發現，這種對偶主要分為兩類，一類為S對偶，另一類為T對偶。
S對偶，指的是一種微擾弦理論中的強相互作用粒子集，在某些個案下可被視為另一套完全不同理論中的弱相互作用粒子集。
T對偶，就是在半徑為R的圓環中傳播的弦與半徑為1/R中環狀中傳播的弦等效。
他們發現，I型弦理論在S對偶下與SO（32）雜化弦理論等效。
IIA型弦理論，在T對偶下與IIB型弦理論等效。
……
通過五種弦理論以及十一維超引力之間的各種對偶以及等價關系，即可以將五種弦理論統一起來。
這五種弦理論，每一種都是M理論不同的極限個案所產生的結果。
這便是威滕在現實世界中提出的M理論，并引發了第二次超弦革命。
M理論揭示了相互作用以及時空的本質，暗示了它們的非基本性。
特別是，該理論預言了額外維和超對稱性的存在，首次為一些黑洞熵提供了微觀解釋。
但是，在建立M理論的過程中，龐學林和威滕也發現了其中存在的一些問題。
第一個就是真空問題。
M理論中存在著各種真空態，給予數學上的計算，他們保守估計，至少存在著10^500這樣的真空解。
而且每一種真空解的物理常數和宇宙學常數都不一樣。
而近期的宇宙學觀察結果表明，地球所在的宇宙有一個小的正宇宙常數，它支配著目前宇宙加速膨脹，并構成了宇宙中的主要物質（暗物質和暗能量）。
如何從眾多的真空解中，找到現有宇宙的真空解，并給予第一性原理解釋，是M理論需要回答的問題。
其次，M理論還需要回答暗能量的來源以及本質。