序言

讓我們直奔主題吧：這是一本關于圈量子引力（loop quantum gravity）的書。圈量子引力是當代物理學家嘗試發展量子引力理論的方法之一，它觸及我們對空間、時間以及物理宇宙的了解的極限。有人希望前沿科學總能寫成科普書籍供大眾讀者消遣，但我要先聲明一件事：圈量子引力同所有其他量子引力理論一樣，沒有得到任何觀測或實驗證據的支持。

你可能會問我，那你憑什么覺得讀者會對這樣的理論感興趣呢？

理由如下。毋庸置疑，在21世紀的開頭幾十年，我們面臨著很多巨大的經濟、政治與環境難題，有些還極其頑固，難以處理。但在我們理解時間與空間的本質、理解物理實在的內部構造方面，量子引力理論是我們這個時代最大的科學難題。它討論的是關于存在本質的“大問題”。解決這個問題不僅需要深厚的科學專業知識，也需要洞察力與靈感出現的獨特瞬間，還需要整個物理學史上的人物都無法超越的智力創造性。

原因很簡單。如今，我們很幸運，我們擁有兩大極其成功的物理學理論。第一個是阿爾伯特·愛因斯坦提出的廣義相對論，它描述了彎曲時空中物質的大尺度行為，告訴我們引力的工作機制：物質告訴時空如何彎曲，彎曲的時空告訴物質如何移動。這一理論是如今大爆炸宇宙學標準模型的基礎，我們用它描述宇宙的演化：從最初的“開端”（根據如今的證據，大概在138億年前）到今天。支持該理論的證據有很多，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）以及意大利的室女座引力波天文臺（Virgo）探測到的引力波，只是眾多證據中最近的一項。

第二個極其成功的理論就是量子力學。量子力學描述了最小尺度——分子、原子、亞原子、亞核粒子尺度的物質與輻射的性質和行為。在量子場論的外衣之下，量子力學的基礎是粒子物理標準模型。整個宇宙中可見的組成部分（包括恒星、行星以及我們自身）都是由基礎模型中的夸克、電子，以及傳遞力的光子等粒子結合在一起組成的。標準模型也告訴我們大自然的其他三種力——電磁力、強相互作用力和弱相互作用力是如何作用的。位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）發現了希格斯玻色子，這是支持量子力學的眾多證據中最近的一項。

然而，盡管這兩個理論都是極為成功的偉大的智力創造，這兩個標準模型也充滿了漏洞。有很多現象不能用這兩個理論解釋，也有很多問題是它們無法回答的。它們的成功似乎只帶來了一個結果，就是讓我們的宇宙變得更為神秘難解，甚至完全匪夷所思。似乎我們了解得越多，理解得就越少。

這兩個理論在根本上是不相容的。在艾薩克·牛頓的經典力學中，物質的存在與事情的發生都在一個絕對空間與時間的“容器”中，這個“容器”作為背景而存在。如果我們把牛頓宇宙中的一切事物都拿掉，理論上還應該留下一個空的容器。廣義相對論則把這個容器拿掉了：在愛因斯坦的宇宙中，空間和時間是相對的，不是絕對的，而理論則是“背景無關”的。時空是動態的，它之所以存在，是因為它是物質與能量之間物理相互作用的結果。

量子力學雖然有些地方看起來極為奇怪，但其至今提出的一切預言都已被驗證。它的表述方式不同于廣義相對論：與物質和輻射的基本粒子相關的相互作用，都被假設發生在一個絕對時空的容器之中——正是廣義相對論所消滅的那個容器。也就是說，量子力學是背景相關的。

總結一下，我們有一個背景無關的經典（非量子）的時空理論，又有一個背景相關的關于物質和輻射的量子理論。我們最成功的兩大物理學理論建立于不相容的時空觀上，它們有著不同的結構：廣義相對論的時空是在物理學定律的基礎上與之共同產生的，而量子力學的時空則是事先預設的、絕對的。

雖然有這么兩套互不相容的描述，但據我們所知（以及所能證明），我們的宇宙只有一個。廣義相對論和量子理論的不相容性之所以是個問題，就是因為我們相信宇宙在誕生初期（大爆炸之時）處于量子尺度，自然應該能被量子力學解釋。也許你覺得我們無法解釋宇宙的起源以及其極早期的狀態也沒什么，但鑒于物理學在近百年里取得了如此輝煌的成就，我們理當對它有更高的期望。我們需要一個量子引力理論。

看到這里，你開始感興趣了嗎？

中國古代哲學家老子曾經說過：“千里之行，始于足下。”要想得到量子引力理論，第一步就是要認識到，要想將量子力學與廣義相對論統一起來，我們需要找到一種新的時空結構，即一種新的看待時空的方式，這種方式要能同時在各種尺度上與物理學理論兼容。

有了這樣一個目標，下一步就是選擇走哪條路了。我們是從預設絕對時空結構的量子力學出發，還是從時空與之共同產生的廣義相對論出發呢？

在過去的40年中，關于這兩條路孰難孰易的判斷分歧，已經將理論物理界分成了水火不容的兩派。如果你嘗試梳理一下所有嘗試發展量子引力理論的方法的來龍去脈，就會發現這條分界線是清晰可見的，它分成了本質上不同的兩支：一支是弦論，一支是圈量子引力理論。兩派之間的差異并不是廣義相對論研究者與粒子理論物理學者之間的差異，因為不管哪一派都頻繁地借用了廣義相對論與量子場論的思想與技巧。

然而，不得不說，理論物理學界如今正為粒子理論物理學家所主導，而粒子理論物理學家確實更傾向于弦論。在過去的20年中，擅長公關的弦論研究者撰寫了大量的大眾科學書籍，因此幾乎沒有讀者意識到還有另一條通往量子引力理論的路。比方說，就在近期的一本關于引力的科普書中，圈量子引力僅出現在一個腳注里。這一現象的形成有多個原因，我會在下文中討論其中一部分。

這本書講的是一條少有人走的路。它從廣義相對論出發，借用了量子色動力學（QCD）中的一些思想，也包含致力于讓結果與量子場論相容的探索。在路的終點，我們會看到空間的結構變成了量子的，而非連續的。就像量子力學中的物質和輻射一樣，它是一塊一塊的。這一結構是一種由互相連接的引力“圈”形成的“自旋網絡”系統。這些圈的形狀有根本上的限制，它定義了普朗克長度尺度上的面積量子和體積量子（普朗克長度約為1.6×10^-35米，即質子直徑的10²⁰分之一）。

不同的自旋網絡，也就是圈的不同連接方式，定義了空間形狀的不同量子態。自旋網絡的演化（即一種形狀和下一種形狀之間的連接的變化）就產生了自旋泡沫（spinfoam）。在疊加態中加入自旋泡沫，就產生了一個新出現的時空，即一種由量子物理學定律共同產生的結構。

這就是圈量子引力理論，簡稱LQG。這一理論已經誕生30年了，目前全世界大概有30個研究組在研究它。始于相對論的這條路很難走，崎嶇不平。這條路上還有很多有待克服的困難，尤其是要找到一種方式，使這一理論提供一個或更多明確的經驗檢驗。但正如LQG的主要構建者之一卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）不久前所解釋的那樣：“在我看來，量子引力領域的狀況……比25年前好太多了，而且它還在日新月異地發展，我對它很樂觀。”

科普讀者可能從李·斯莫林（Lee Smolin）寫的書中了解過圈量子引力，他是圈量子引力的另一位主要構建者，在2000年出版了《通向量子引力的三條途徑》（Three Roads to Quantum Gravity）一書。他在2006年首次出版的《物理學的困惑》（The Trouble with Physics）和最近出版的《時間重生》（Time Reborn）中也簡要提到了圈量子引力。羅韋利則在他的暢銷書《七堂極簡物理課》（Seven Brief Lessons on Physics）和《現實不似你所見》（Reality is Not What It Seems）中提到了圈量子引力。

我寫這本書，是為了糾正公眾觀念的偏倚。我想要說服讀者：圈量子引力不僅是一個好的理論，而且還提供了一條除弦論之外的真正的、可靠的通往量子引力的道路。為了實現這個任務，我將與你分享斯莫林和羅韋利在他們自己的暢銷書里沒有提到的更多細節。我不僅要讓你基本了解圈量子引力理論是如何看待空間、時間和宇宙的，還要告訴你它為何要講述這些事情，又是如何講述的。

在調研和寫作這本書時，我很幸運地得到了斯莫林與羅韋利的大量鼓勵和支持，聽到了他們的深刻見解。這本書講述的是他倆的故事，但我還要說明的是，圈量子引力理論是多位理論物理學家通過多年的努力才建立起來的。我已經盡了一切努力以通俗的方式把他們的工作呈現在讀者面前，而如果我讓這個群體中的任何一位物理學家感覺自己的貢獻沒有得到良好的展現，甚至被忽略了，那么我提前向他們表示歉意。出于同樣的原因，這本書專注于講述斯莫林與羅韋利兩位主要貢獻者的故事，它不是為了全面總結圈量子引力名下的每一項貢獻而寫作的。

這本書由三部分組成。第一部分是故事的背景，告訴我們斯莫林與羅韋利在學生時代學習的相對論、量子力學與大爆炸宇宙學的內容，以及他們成為成熟的理論物理學家后這些領域的發展狀況。如果你已經對這部分背景知識比較熟悉了，可以放心地跳過這部分內容，這不會影響閱讀（但我還是希望你不要跳過）。第二部分講述了圈量子引力理論的誕生與演化。它始于20世紀50年代末將相對論與量子力學統一起來的嘗試，阿貝·阿什特卡（Abhay Ashtekar）發現的“新變量”使它成為可能。到20世紀末，阿什特卡、斯莫林、羅韋利（以及其他很多人）的合作產生了面積與體積量子，以及自旋泡沫的數學形式。第三部分介紹了該領域迄今為止的新進展。它總結了用圈量子引力來計算我們熟悉的物理量的嘗試，以及該理論對于量子宇宙學與黑洞物理學的意義。在旅程的這一部分，我們還會遇到量子力學的詮釋問題，以及時間的實在性（或不實在性）的問題。

我還要提醒你最后一件事情：同弦論或M理論框架一樣，圈量子引力仍然是一個發展中的理論。它還沒有完成，有很多問題我們還不能回答。斯莫林與羅韋利自然是該理論的熱烈支持者，盡管我努力平衡各方面的觀點，我所采用的語句仍然會不可避免地反映他們的熱情。但我們千萬不能被熱情沖昏了頭腦。在圈量子引力理論的發展道路上，有很多其他理論物理學家在不同的階段加入，但他們如今都已對其失去了信心。20世紀90年代末的樂觀態度如今已經變成了更冷靜（也更悲觀）的評估分析，有些物理學家已經完全離開這一領域，去研究其他課題了。我希望讀者至少能意識到理論物理學家面臨的是一個多大的挑戰——追尋量子引力理論絕不是膽小的人可以做的事。在這本書的結尾，我加入了一篇斯莫林、羅韋利和我的三人談話記錄，我們回顧了近期的發展歷史，也展望了未來。

現在，理論物理學的發展正處于緊要關頭。科學上的偉大革命塑造了我們對現實的理解，進而深刻地改變了我們對空間、時間以及對宇宙的理解。下一場革命，是否已經近在咫尺？

如果李和卡洛不是如此地信任我，并將他們的故事托付于我，這本書就不可能完成。我要感謝他們對這項寫作計劃付出的努力，他們在我寫草稿時就是俯身于我背后瀏覽內容的讀者，指引我走向正確的方向，在我犯錯誤時糾正我。之前我已提醒過大家，這本書里的所有觀點都只是我的觀點，雖然李和卡洛同意其中大部分觀點，你也不應該假設他們同意書里的所有觀點。

除了李和卡洛以外，我還要感謝眾多科學家，他們在繁忙的工作之余擠出寶貴的時間審讀我的草稿，糾正了許多錯誤的結論和詮釋，并加上了他們自己的深刻見解。他們包括：賓夕法尼亞州立大學的阿貝·阿什特卡、加州大學河濱分校的約翰·貝茲（John Baez）、賓夕法尼亞州立大學的馬丁·博約瓦爾德（Martin Bojowald）、墨西哥國立自治大學的亞歷杭德羅·科里基（Alejandro Corichi）、開普敦大學的喬治·埃利斯（George Ellis）、馬里蘭大學的特德·雅各布森（Ted Jacobson）、諾丁漢大學的基里爾·克拉斯諾夫（Kirill Krasnov）、路易斯安那州州立大學的豪爾赫·普林（Jorge Pullin），以及哥倫比亞大學的彼得·沃伊特（Peter Woit）。

現在，圈量子引力理論的構建遠稱不上已經完成。這意味著，哪怕是一直緊密參與該理論發展過程的理論物理學家，對于該理論中很多懸而未決的問題都未必有一致的結論。為了對這個幾乎一切觀點都可能受到質疑的課題進行盡可能一致且易讀的敘述，我不得不在內容的呈現方面做一些選擇。我很確定自己在這個過程中犯了一些錯誤，也樂于承認自己犯下的錯誤。

我還要感謝我在牛津大學出版社的編輯萊瑟·梅農（Latha Menon），以及珍妮·紐吉（Jenny Nugee）——她為最終呈現到你們手中的這本書的英文版做了大量的工作。如果沒有他們的努力，這本書的內容不可能這么豐富。

現在，讓我們開始這趟旅程吧。

吉姆·巴戈特

2018年7月