宇宙的结构（第一推动丛书·物理系列）

这本书写的很好，写得好，翻译的也好，全书没用一个公式将让我明白了没有时空、没有同时性这个概念，面包切片等经典比喻对一个大学物理逃课的学渣来说，实在是太过友好。本书的作者研究深厚，讲述深入浅出，文字优美，真是不可多得的好书。 这本书很厚，又是物理科普，我本来以为会读的很慢，结果在日本玩的时候，读的爱不释手，很快就读完了，后来又细细思索这里面的概念，希望这些知识能留在我的大脑皮层里。 和宇宙的结构的相比，我其实一直更好奇什么是时空，世界的基本粒子是什么，不过这些问题互相交织，最后总是要通过研究宇宙的起源和演变来回答这个问题，宇宙的结构研究到后面各种膨胀论互相修修补补、调节参数，已经到了无力为继的地步，而多膜宇宙，以及我们的宇宙是某个高维空间的全系投影，这些感觉也已经走到了科幻的地步。 不过我很好奇，熵和黑洞表面的面积成正比，而和体积无关，熵是我们世界的基本量度，而世界是二维的，这个将来能否被证明或证伪。 引力能穿透三维世界，电磁力和其它力不可以，所以引力是研究维度的工具，而引力是平方的反比率，所以我们的空间是三维的，但是还有很多的微小空间仍然蜷缩在我们周围，真实的世界大概是十维的。 上述这些已经很抽象，我更喜欢的是对相对时间、时空的表述，这些学术结论已经成共识，但是作者解释的简洁又有趣，让人忍不住回味。 水桶的比喻：水相对于桶旋转产生涟漪，桶就是绝对时空，世间万物都是相对于桶变化。加速度其实是引力的作用效果，只有感觉不到力的观测者才能真正说他是静止状态。 但由于运动是相对的，不同运动速度下，每个人看到东西的时间不一样，所以其实同时这个概念是个伪命题，譬如光跨过一百万光年来到我们面前，跨过五十光年去到另一个星球，这个看到光的一刻同时已经消失了，这不仅仅是因为同时难以量度（光运动也需要时间，在宇宙级别的距离下，同时很难被人感知，我们永远是站在巨大的面包切片的两端）。而在中微观下，因为每个物体的运动速度一样(因此它的时间流速也不一样)，只是这种不容易被人感知到。 在狭义相对论中，我们不同的人在不同的方式切割时空，爱因斯坦认为物质和能量改变了时空结构，我们其实是生活在时空结构的凹痕里，宇宙就像一个水池，时空是里面的水，不停的进行能量交换，而当太阳这样的大质量的物理出现的时候，他会改变周围的水流方向，遥远星球的光经过这里发生折射，这就是时空发生弯曲的证明。所以时空震荡产生的涟漪就是引力波，时空本身就是引力波，以光速传播（这一段是我自己的理解）。 在广义相对论说，空间和时间是动态的，它们是可变的；它们随物质和能量的出现而不同，时空特别是它蜷曲和弯曲的方式正是引力场的提现。 到了量子理论之后，世界由四种力和数十种基本粒子构成，量子理论认为我们观测粒子会影响粒子的运动轨迹，因为光也会传递影响光子的运动轨迹，世界只是概率波。但学家一直想探讨更本质的规律譬如统一场论和弦论，希望找到更基础的例子。 光速是恒定的，时空会互补，我们的时空线其实是矢量，时间线正北，空间线正东，时空线在这个中间任意一个角度，如果我们速度达到光速，时间就会静止。 没有同时这个概念，甚至没有时空，时空是个集合，因为你一刀切下去面包片，可以是任何切割方式，每个人都有一个现在，同时并不存在，每个人的时间流速也不一样，时空只是一个个独立事件的集合，之所以我们感觉到时间流逝，是因为我们能感知到的日升日落在宏观层面是规律，而世界的演变本质是只遵从熵增定律，碎掉的碗复合不是不可能，只是概率非常小。 我们的意识体验遍布于整个时空，放映机的光打在哪里，它就成为我的体验的一部分，从某一刻到下一刻的的体验源于我们的思想、认知的改变。 我怀疑我们的是某种基本粒子的海，所谓时空不过是在这个粒子场里进行能量交换的场所，能量交换引起的变化就是我们对时空的体验？

我有一个想法。欢迎友善讨论。 如果能够保存t0时刻宇宙所有粒子的状态（不考虑如何保存，就像讨论祖父悖论时不需要讨论如何实现时间机器一样，下同），在t1时刻恢复宇宙中除了我自己的粒子之外的所有粒子的状态为t0时刻的状态（也就是说在我拥有t0到1期间的记忆的情况下，宇宙的状态恢复到t0）。这对于我来说是一种事实上的通往过去的时间旅行。 首先这种方式不与相对论冲突。因为当前时刻仍然是t1而不是t0。 不与熵增定律冲突。在这里假设宇宙之外还有更大的宇宙，虽然我身处的宇宙的熵下降了，但是外部宇宙的熵是上升了的。 不与信息论冲突。我脑海中的记忆是来自于t0到t1这一段时间的，即使宇宙恢复了t0时刻的状态但是时间仍然还是t1，也就是说信息没有凭空产生，不会有自举悖论。 不会有祖父悖论，理由同上。 现在看来，这个情形下最大的限制应该是如何准确知道粒子的信息。根据不确定性原理和量子不可克隆理论，这似乎是无法逾越的障碍。我想过通过观测原子和离子来提高信息粒度避免量子力学的限制，但是也不太可行。

一个感受：“层垒的宇宙”。 (deepseek展开)这个短语非常形象精准地捕捉了全书（以及现代物理学）看待宇宙结构的一种核心视角：宇宙并非单一均质的整体，而是由不同尺度、不同理论、不同实体层层堆叠、逐级构建起来的。 从以下几个维度来理解“层垒”的深刻含义： 1. 尺度的层垒：从日常到普朗克 这是最直观的层垒。随着我们不断“放大”观测的尺度，宇宙的面貌发生了根本性的变化。 日常与经典尺度（第1-3章）： 我们生活于其中的世界，由牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对论时空观所描述。空间可伸缩，时间可弯曲，但整体是平滑、连续的几何舞台。 微观与量子尺度（第4、7章）： 进入原子和亚原子世界，经典图像崩塌。粒子不再有确定的位置和轨迹，取而代之的是概率波、量子涨落和幽灵般的超距作用。空间不再是隔离的屏障。 普朗克尺度（第12、16章）： 这是理论的尽头（10−3310−33厘米）。在此尺度下，时空本身因量子涨落而“沸腾”和“躁动”，平滑的几何概念失效，空间和时间可能“粒子化”，变成离散的、泡沫状的结构。这是经典时空概念的最底层。 2. 结构的层垒：从基本粒子到星系 宇宙的物质构成也是层层递进的。 基础层（第9、12章）： 由夸克、电子等基本粒子（或弦论中弦的不同振动模式）构成。这些粒子通过交换信使粒子（光子、胶子等）发生相互作用。 复合层： 夸克结合成质子和中子，再与电子结合成原子；原子结合成分子；分子聚集成气体、尘埃。 天体层（第8章）： 在引力作用下，气体和尘埃聚集成恒星、行星和星系。无数星系构成星系团，最终形成我们在最大尺度上看到的宇宙网状结构。 可见与不可见层（第10章）： 我们熟悉的由原子构成的物质（重子物质）只占宇宙总量的5%，它们像灯塔一样漂浮在由暗物质（25%）构成的巨大无形骨架上，而整个结构则被暗能量（70%）这种弥漫空间的斥力所包围和驱动。 3. 理论的层垒：从经验定律到终极理论 人类对宇宙的理解本身也是层垒的。 底层： 牛顿力学、麦克斯韦电磁学，它们完美描述了我们日常尺度的现象。 中层： 爱因斯坦的相对论，它修正了牛顿理论，揭示了时空的本质，并将其与引力统一。 上层： 量子力学，它引入了概率和非定域性，主宰了微观世界。 顶层（正在构建）： 弦论/M理论（第12、13章），它试图调和相对论与量子力学的世纪冲突，将四种基本力统一起来。在这个层次上，弦（或膜）是构成所有物质和时空本身的“最底层砖石”。 4. 历史的层垒：从大爆炸到未来 宇宙的演化史也是一个层层展开的过程（第9-11章）。 最深层（普朗克时代）： 所有四种力可能统一，时空本身处于量子泡沫的混沌状态。这是理论最深不可测的一层。 暴胀层： 宇宙经历了一场难以想象的急速膨胀，将量子涨落放大为宇宙大尺度结构的种子。 相变层： 随着宇宙冷却，对称性逐级破缺。首先是引力分离，然后强核力分离，最后电磁力和弱核力分离（希格斯机制赋予粒子质量）。每一次相变，都像剥开一层洋葱，让宇宙呈现出新的面貌。 结构形成层： 在引力的作用下，微小的密度起伏逐渐长大，形成第一颗恒星、第一批星系，直到我们今天看到的复杂宇宙。 总结 “层垒的宇宙”描绘了一幅深刻的宇宙图景：我们生活在一个由无数层次嵌套而成的宇宙中。 每一个层次都有其独特的规律和实体，但都与上下层次紧密相连。底层（普朗克尺度）的微小涨落，通过宇宙的演化（暴胀），最终造就了顶层（星系团）的宏伟结构。而人类对宇宙的认识，也正是通过一层层剥开表象，从日常经验深入到相对论、量子力学，直至探索那可能无空无时的最底层，才逐步构建起这个宏伟的、层垒的知识体系。

自由意志，多重世界，时间旅行 自由意志，即使不给时间旅行增加新的麻烦，也是个很棘手的问题。经典物理学定律带有确定性。正如我们在前面的章节中看到的那样，如果你既能准确地知道现在这个时刻事物是怎样的，又能洞悉全部经典物理学定律的话，那你就能准确地说出在任意给定时刻——无论是过去的某一时刻还是未来的某一时刻——事物是怎样的。这样的方程与假定存在的个人的自由意志毫无关系。所以，有些人就会根据这一点得出这样的结论：在经典宇宙中，自由不过是假象而已。你是由粒子组成的，如果物理定律可以确定任意时刻你的粒子的一切——这些粒子都在哪，它们都是如何运动的，等等——那你决定自己行动的意志力就完全可以推算出来。我相信这样的说法，但是有些人——他们认为人类不只是粒子的总和——并不以为然。 无论怎样，这些想法都没什么实际价值，因为我们所生活在其中的这个宇宙遵循的是量子物理，而不是经典物理。在量子世界中，真实世界的物理，虽然跟经典物理所描述的世界有些相似之处，但是还有些重要的区别。正如你在第7章中学到的那样，如果你知道了此时此刻整个宇宙中所有粒子的量子波函数，那么薛定谔方程就会告诉你你所感兴趣的任意时刻的波函数。量子物理在这一点上的确具有经典物理的那种确定性。但是，观测会给量子力学的故事增添很多新的篇章，正如我们所见，有关量子测量问题的热烈争论仍然未熄。如果有那么一天，物理学家们最终认定薛定谔方程就是量子力学的一切，那么整个量子物理，就会具有同经典物理一模一样的确定性。有了经典物理的确定性，有些人就可以说自由意志不过是假象；而有些人会不同意。但是如果现在的我们错过了量子力学的部分故事——如果从概率性到确定性的结果还需要某些超出标准量子体系的东西——那么自由意志至少有可能在物理定律中找到一个具体的实现。可能真像某些物理学家推断的那样，在未来的某一天，人类会发现有意识的观测行为是量子力学不可或缺的一个元素，是从量子迷雾中提取结果的催化剂。[插图]就我个人而言，我觉得这极其不可能，但是我找不到证明它不对的办法。 现在的局面是自由意识的地位及其在基本物理定律中扮演的角色仍不清楚。所以我们接下来就分别分析一下这两种情况——自由意识本就是一种假象；自由意识其实是真实的。 如果自由意识本是假象，并且我们有可能通过时间旅行回到过去的话，那么你无法阻止你父母相逢这件事就没什么好奇怪的了。尽管你感觉你可以掌控自己的行为，但其实不能，真正在背后起作用的是物理定律。当你想过去把你妈妈带走，或者给你父亲来一枪的时候，物理定律就会起阻碍作用。时间机器可能会在错误的地点着陆，使得你到达的时候他们都已经相会了；也有可能在你扣动扳机的时候，枪却卡住了；还有可能你虽然射出了子弹，却打歪了，直接把你父亲的情敌打中了，反而为你父亲扫清了障碍；再还有这样的可能：当你走出时间机器的时候，你再也没有阻止他们相逢的想法了。不管在你走进时间机器时你在想些什么，你走出时间机器时的行为只能是和谐一致的时空故事中的一部分。物理定律绝不允许任何有违逻辑的行为。你做的一切都会很好地符合逻辑，现在如此，以后也将一直如此。你改变不了那些不可改变的事实。 如果自由意识不是假象，并且我们有可能通过时间旅行回到过去的话，量子物理就会给出与经典物理完全不同的说法。大卫·多奇所倡导的另一种非常吸引人的说法使用了量子力学的多世界诠释。还记得我们在第7章中提到过的多世界诠释吗？在这个理论框架下，包含在波函数中的每一种可能结果——粒子各种可能的自旋指向或者粒子可能出现的位置——都会分别出现在各自的平行宇宙中。我们所看到的任意给定时刻的宇宙都只是量子力学所允许的无限种可能演化中的一种。这个理论体系引人注意的一点在于它所提出的解释：我们觉得自己可以自由地选择做这做那，而这一点反映的是我们在接下来的时刻进入或这或那的平行宇宙的可能性。当然，既然在平行宇宙中你我都有无数个拷贝，那么我们就有必要在这个宽泛的框架下解释一下个人身份与意志的概念了。 就时间旅行和可能的悖论，多世界诠释提出了一种新颖的解决办法。你返回1965年12月31日晚上11:50，拿出你的枪，瞄准你的父亲，扣动扳机。枪响了，你击中了目标。但是这件事情并没有发生在你登上时间机器的那个平行宇宙，所以你的旅行并不是一趟时间旅行，而是从一个平行宇宙来到另一个平行宇宙的旅行。在你扣动扳机击中目标的这个平行宇宙中，你的父母没法相遇——在这样一个宇宙中，多世界诠释保证了我们的存在（因为符合量子力学的所有可能的宇宙都会存在）。所以，根据这样的说法，就没什么悖论存在了，因为每个给定时刻都会有位于不同平行宇宙中的各种不同的版本；根据多世界诠释，时空片会有无穷多个，而不是唯一的一个。在原来的宇宙中，你的父母相逢于1965年12月31日，后来你出生了，长大了，不知怎地就和你父亲的关系变得恶劣了，你着迷于时间旅行，开始了你去往1965年12月31日的时间之旅。而在你所到达的那个宇宙中，你父亲被刺于1965年12月31日晚上，那个时候他还没有遇到你妈妈，刺杀他的凶手宣称自己是他未来的儿子。你在这个宇宙中的版本永远都不会被生出来，不过没关系，那个扣动扳机的你的确是有父母的。只不过他们生活在另一个平行宇宙中。至于这个宇宙中的人们是相信你的故事还是把你看成妄想症患者，那我就不知道了。但可以肯定的是，在每一个宇宙中——你离开的那个宇宙以及你来到的这个宇宙——人们都会讨厌自相矛盾的事情。 而且，即使按照现在这种宽泛的说法，你的时间旅行也不会改变过去。对于你离开的那个宇宙，这一点很明显，因为你回到的根本就不是它的过去。至于你去往的那个宇宙，你在1965年12月31日晚上11:50出现也没有改变那个时刻：因为你的确并且永远都会在那个时刻出现在那个宇宙。于是我们再一次看到，根据多世界诠释，在每一个平行宇宙中发生的事件都是物理上自洽的事件。在你到达的那个宇宙中，的确根据你的心意发生了谋杀事件。你在1965年12月31日晚上11:50的露面，以及你所造下的一切罪孽，都是那个宇宙永远不可抹去的真实之一。 多世界诠释也会对那些不知道从哪突然冒出来的知识——比如我妈妈写出来的那篇弦论方面的发轫之作——给予类似的解释。按照多世界诠释的说法，在无数平行宇宙中的一个中，我妈妈的确迅速成了弦论方面的专家，我所看到的那篇弦论论文全都是她一个人写出来的。当我决定飞往未来的时候，我的时间机器恰好把我带到了那个她写出了论文的宇宙。我在我妈妈的那篇论文中读到的结果事实上是她在那个宇宙中的版本首先发现的。然后我回到了我的时代，我妈妈在这个平行宇宙中的版本实在是没办法理解物理学了。在多年教而未果的情况下，我选择了放弃，然后告诉她怎样写出那篇论文来。于是我们看到，在这个解释里丝毫没有“理论的关键性突破究竟是谁做出来的”这种困惑。真正的理论发现者是我妈妈在另一个宇宙中的版本，在那个宇宙中的“她”是一个物理学天才。而我的几次时间旅行带来的结果就是将那个宇宙中的我妈妈做出来的发现带给了另一个平行宇宙中的我妈妈。如果你觉得平行宇宙这种解释要比找不到文章作者这件事——极具争议性的命题——好理解的话，那你就为知识和时间旅行的相互影响找到了一个稍好些的解释。 我们在这节或前一节中讨论过的这几种方案都不一定是对时间旅行所带来的悖论的真正解释。这些解释方案告诉我们的是，回到过去的时间旅行并不会因为这样的悖论就被排除掉。即使以我们现在的理解力，物理学家们也能找到很多方法来规避掉这些悖论。但是，没有排除掉远不等于承认它的可行性。所以，我们现在来问几个主要的问题。 时间旅行能回到过去吗 大部分清醒的物理学家都会回答不可能。我也会说不可能。但是这个不可能并不同于有些问题的不可能，比如说，狭义相对论会允许一个有质量的物体达到并且超过光速吗？又或者麦克斯韦理论会允许带一个电荷的粒子分解成总共带两个电荷的几个粒子吗？对于这些问题，我们会毫不犹疑地回答你，不可能，这种不可能是经过实践检验的。 事实上，没人能够证明物理定律已经将回到过去的时间旅行排除掉了。正相反，倒是有几个物理学家列出了几条建造时间机器的理论方法。要是你拥有无限的技术能力，可以任意地运用已知的物理学定律，那么你就有可能建造出一台时间机器（我们所说的时间机器指的是既能飞往未来也能回到过去的时间机器）。我们这里说到的时间机器可不是H. G．威尔斯所描述的那个旋转式的小发明或布朗博士那台加大马力的DeLorean[插图]。而且所有的设计元素都刚好15.2 （a）Kwik—E— Mart和核电站之间的虫洞。 （b）视线穿过虫洞看到的景象，洞的一端是Kwik—E—Mart，而另一端就是核电站 [插图] 图15.3 利用几何，我们可以更加清楚地看到虫洞真是一条捷径（虫洞实际的端口分别在Kwik— E—Mart和核电站内，图中很难显示这一点） 没有人知道虫洞是否真的存在，但是早在很多年前物理学家们就证明了虫洞是广义相对论的数学所允许的内容，当作游戏搞搞相关理论研究是完全没有问题的。20世纪50年代，约翰·惠勒及其合作者成为虫洞研究方面的先锋人物，他们一道发现了虫洞的很多基本数学性质。到了近一些的时候，索恩及其同事发现虫洞不仅仅是空间上的捷径，也可以是时间上的捷径，从而使虫洞研究领域空前繁荣起来。 现在我们来看看索恩的想法。想象这样一幅场景：巴特和莉莎分别站在斯普林菲尔德虫洞的两端——巴特在Kwik—E—Mart这端，而莉莎在核电站那端——懒散地聊着给霍默准备什么样的生日礼物，巴特准备来一趟跨星系的短程旅行（给霍默带点他喜欢的仙女座炸鱼条回来）。莉莎本来对这趟行程不感兴趣，但是考虑到她自己一直很想看看仙女座，所以她就劝说巴特把他那边的端口挂到飞船上，这样她就可以看看仙女座的样子。你或许会认为要是巴特把端口挂到飞船上一起走的话，虫洞就会被抻长，但这是在假定虫洞是普通空间才会有的情况。其实不然。如图15.4所示，由于奇妙的广义相对论几何，虫洞的长度会在整个行程中保持不变。这一点非常关键。即使巴特的飞船飞往仙女座，他与莉莎之间的虫洞的长度也不会发生变化。而这就使虫洞作为捷径的角色更加明显了。 为明确起见，我们姑且假定巴特的飞船以99.999999999999999999%光速的速度飞行了4个小时才到达仙女座，在这个过程中他与莉莎一直通过虫洞聊天，就像起飞之前那样。当飞船到达仙女座的时候，莉莎让巴特停下来以便她能清楚地看一看仙女座的风景。但是巴特觉得应该赶快叫上一份外卖炸鱼条，然后掉头返航。虽然莉莎对这么快就返航感觉很气恼，但还是同意继续和巴特聊天。4个小时再加几把五子棋后，巴特安全地降落在斯普林菲尔德高中。 [插图] 图15.4 （a）连接Kwik—E—Mart和核电站的虫洞。 （b）虫洞开启的下端连的是外层空间（从核电站连到未画在图中的宇宙飞船）。 （c）虫洞的一端到达了仙女座星系，另一个端口则还在Kwik—E—Mart。在整个航行过程中，虫洞的长度并未发生变化 当他从舷窗中望出去的时候，巴特一下子呆住了。那些建筑看起来完全不一样了，滚球场上空漂浮的计分板显示现在已经是他离开之后差不多600万年的时候了。“嘿，哥们，怎么回事！? ”他对自己说道，过了一会，一切都搞清楚了。他记起最近通过心连心的方法从杂耍鲍勃那里学到的狭义相对论：你运动得越快，你的钟就会变得越慢。如果你乘坐高速宇宙飞船出去遛一圈然后回来，那么你飞船上的时间可能仅仅过了几个小时的光景，但是外面的世界已经过了成千上万年。快速地计算后巴特确认，以他航行的速度来看，飞船上的8小时意味着外面世界的600万年。计分板上的时间是正确的，巴特认识到他已经来到了未来的地球。 “……巴特！你在哪？巴特！”莉莎从虫洞里喊道，“你能听到我说话吗？加快油门，我想按时回家吃饭。”巴特看了看虫洞的端口，告诉莉莎他已经降落在斯普林菲尔德高中的草坪上了。从虫洞中仔细地看了看后，莉莎发现巴特没说谎，但从Kwik—E—Mart往斯普林菲尔德高中的方向望过去，莉莎没能发现飞船的影子。“我糊涂了。”她说。 “实际上，这很好理解，”巴特得意洋洋地回答道，“我的确是降落在了斯普林菲尔德高中，只不过是600万年后的斯普林菲尔德高中。你从Kwik—E—Mart的窗户看不到我，因为你虽然看对了地方，但没看对时间，你早了600万 图15.5 （a）某个时刻所创建的虫洞，将空间中的两个位置联系起来了。 （b）如果虫洞的两个端口之间没有相对运动，它们就会以相同的速率“穿过”时间，这样一条虫洞连接的是相同时间的两个区域。 （c）如果虫洞的一个端口处于往返旅程中（图中未示），那它所用掉的时间就会少些，因而这样的虫洞连接的就是不同时刻的两块空间区域，这样的虫洞就是一台时间机器 图15.5是这个过程的一张粗略示意图。在图15.5（a）中，我们可以看到一个虫洞将空间中的两个位置联系起来了，之所以这样画虫洞是为了使之区别于普通空间。在图15.5（b）中，我们展示了这个虫洞的演化，这里假定了虫洞的两个端口全部处于静止状态（时间片为静止观测者的时间片）。在图15.5（c）中，我们展示了当虫洞的一个端口被挂在往返行程的飞船上时的情况。对于运动的虫洞端口来说，它的时间就像运动的钟的时间一样会变慢，所以运动的端口被传送到了未来（如果运动的钟仅仅过了1个小时，而静止的钟却过了千年的话，运动的钟就来到了静止的钟的未来）。因而，静止的虫洞端口连接的并不是同一时间片的端口，它通过虫洞连接的是未来时间片的端口，如图15.5（c）所示。除非虫洞的端口又运动了，否则的话两个端口之间的时间差就会一直存在。任意时刻，只要你从一个端口进去再从另外一个端口出来，你就成了时间旅行者。 建造一台虫洞时间机器 现在，我们已经搞清楚了建造一台时间机器需要有哪几步。第一步：找到或者干脆创造一个虫洞，这个虫洞要宽到能把你或者你想通过时间机器传送的东西放进去的程度。第二步：使得虫洞的两个端口之间存在时间差——也就是说，使一个端口相对于另一个端口运动。理论上讲，这就行了。 但在实践中能行吗？正如我在开始时提到的，人们甚至不知道是不是真的有虫洞存在。有些物理学家说在空间结构的微观层次上存在很多微小的虫洞，这些小虫洞产生于引力场的量子涨落。如果是这样的话，那么我们面临的挑战就是如何将它们放大到宏观尺度。至于究竟应该怎么达到这种效果，人们已经提出了一些建议，不过那些方案都非常晦涩，不在有趣的理论妙想范围内。而另一些物理学家则将制造宏观虫洞当作广义相对论应用方面的工程项目。我们知道空间反映的是物质和能量分布，所以，只要能很好地控制物质和能量，我们就有可能使某块空间区域变成虫洞。这种方法还有另外一个难点，正如我们非得在山上撕开一个口子才能建造穿山隧道一样，我们也必须在空间结构中撕开一个口子才能给虫洞找一个端口。[插图]没人知道物理定律是否允许我们这么干。我在弦论方面的工作（参见第13章“膜”小节）表明，某些类型的空间撕裂是没问题的，但我们到目前为止还不清楚这样一些缝隙是否与制造虫洞有关。即使按最好的情况来看，获得宏观虫洞的想法也是一个非常长的时期内才有可能实现的梦想。 而且，就算我们想出了什么办法得到了宏观虫洞，事情也没完，我们还要面临一大堆的困难。首先，早在20世纪60年代，惠勒和罗伯特·弗勒就曾利用广义相对论方程证明，虫洞是不稳定的。虫洞壁会一瞬间就向内塌陷，这就使得我们没法用它做任何旅行。但是后来，物理学家们（索恩、莫里斯以及马特·维瑟）又发现了绕过塌陷问题的可能途径。如果虫洞不是空的，而是含有具有外推力的物质——所谓的奇异物质（exotic matter），那么虫洞就有可能持续开放并且稳定。虽然奇异物质的效应有点类似于宇宙常数，但奇异物质生成外推的排斥性万有引力纯粹是由于具有负能（而不是宇宙常数的负压特征[插图]）。在某些非常特别的情况下，量子力学会允许负能量的存在[插图]，但生产足够多的奇异物质来维持宏观虫洞的开放显然是一项巨大的挑战（比如说，维瑟曾经计算过，要想打开1米宽的虫洞，所需要的负能差不多等于太阳在过去100亿年间产生的总能量[插图]）。 其次，即使我们通过什么方法找到或者制造出了宏观虫洞，并且有办法支撑洞壁使之不坍缩，还使两个端口之间有了一定的时间差（比如说，让其中的一个端口绕另一个端口高速飞行），要想得到一台时间机器也还得克服另外一些困难。包括霍金在内的几位物理学家幻象的未来 空间和时间的前景 对于物理学家来说，其一生的大部分时间都在困惑的状态中度过，这甚至可算是一种职业病。要想在物理学领域获得成功就得学会在通往真理的曲折道路上爱上疑惑。对含混不清的东西无法忍受的感觉激发了普通人身上所蕴藏的非凡天赋和创造性，有待调和的不谐事物特别容易使人集中思想。但是在探索之路上——在为解决著名问题而进行的研究工作中——理论学家们必须穿越迷茫的丛林，他们所能依靠的导引只能是直觉、模糊的概念，断断续续的线索与计算。而且，由于大多数的研究者有掩饰痕迹的习惯，所以在很多复杂困难的细节上，人们常常一无所知。但是千万不要忘记没有什么可以轻易获得。大自然不会轻易说出它的秘密。 在本书前面的很多章节中，我们读到了很多有关人类追寻空间和时间之意义的故事。尽管我们已经谈到了很多既深刻又令人惊奇的思想，但是仍有种种疑惑未能弄清楚，我们仍未到达可直呼“Eureka”[插图]的那一刻。毫无疑问，我们仍在丛林中探寻出路。那么，未来的路在何方？时空故事的下一章应该是些什么内容？显然，没有人知道。但是近年来，一些线索已初见端倪；虽然这些散碎的证据还不能连成完整一致的物理图像，但很多物理学家仍然相信这些证据暗示着宇宙学上另一次大突破的来临。于此之际，很多物理学家相信时间和空间这样的概念不过是埋藏在物理真实性中的更加精细丰富的基本理论的一种幻象。在即将结束本书之际，让我们试着了解一下这些零散的线索并初窥我们探寻宇宙结构之旅的下一站在哪个方向。 空间和时间是基本概念吗 德国哲学家伊曼努尔·康德认为，要是把空间和时间的概念剔除掉，思考并且描述宇宙就不单单是有难度了，而是根本就不可能。坦率地讲，我能理解康德为什么会这么想。无论什么时候，只要我坐下来闭上双眼，试着想一想某个或某件既不占任何空间也没经历任何时间的东西或事情，我都会大脑短路。有空间才会有内容，有时间才有变化，两者总是无声无息地存在着。具有讽刺意味的是，埋头于数学计算（这时候用的常常是时空）的时候，才是我的大脑与时空的概念联系最紧密的时候，因为这些数学练习能够短暂地吞没我的思想，在某种抽象意义上就像没有空间和时间一样。但是思想本身以及思想需要依托的身体则还是不得不占据着时间和空间。要真的清除了空间和时间，那么甩掉你的影子简直易如反掌。 然而，很多当代主流物理学家怀疑，空间和时间虽然无处不在，却不一定是真正的基本概念。就像炮弹的坚硬源于组成炮弹的原子的集群性质，玫瑰的香气源于组成玫瑰的分子的集群性质，猎豹的敏捷源于其肌肉、神经以及骨骼的集群性质，空间和时间的性质——这本书中所讨论的主要东西——也可能源于某种我们尚不清楚的基本成分的集群性质。 物理学家有时会将这些可能性归结为一句话：时空根本是一种幻象。一种有争议的描述，其意义需要合理的解释。不管怎么说，当你被炮弹击中，或者闻到了玫瑰的香气，或者正好看到了飞奔的猎豹的时候，你是无论如何也不会因为这些事物都有其更加基本的结构而否定其存在的。相反的，我想我们大多数人都会同意这些由各种物质汇聚起来的事物自有其存在性，而且，要想了解这些事物，我们仅仅知道作为其组分的原子或分子的性质是不够的，我们还需要研究其整体的性质。但是，由于它们都是由更基本的物质组成，所以我们不会去试着建立一个基于炮弹、玫瑰以及猎豹的宇宙理论。类似的，即使空间和时间真是某种复合实体，那也并非就意味着我们所熟知的空间和时间表象——不论是牛顿的桶还是爱因斯坦的引力——只是一种幻象；无须怀疑，不论未来我们对时间和空间的理解有什么样的发展，空间和时间在实际意义上仍将保有其无处不在的地位。而且，复合时空的概念意味着一种对宇宙更为基本的描述——既不需要空间也不需要时间的宇宙——尚未被发现。这样，空间和时间这种幻象就只是人类所臆造的概念之一，对宇宙最深刻的解读将使我们看清楚空间和时间这一信念将土崩瓦解。当你在原子以及亚原子水平上研究物质的时候，炮弹的硬度、玫瑰的香气、猎豹的速度都不再有任何意义；与之类似，当我们钻研大自然的最基本法则的时候，空间和时间的概念也将自行消融。 时空并不是最基本的宇宙组成可能使你觉得有点牵强。在这一点上你的感觉可能是对的。但有关时空并不与最基时间真是某种复合实体，那也并非就意味着我们所熟知的空间和时间表象——不论是牛顿的桶还是爱因斯坦的引力——只是一种幻象；无须怀疑，不论未来我们对时间和空间的理解有什么样的发展，空间和时间在实际意义上仍将保有其无处不在的地位。而且，复合时空的概念意味着一种对宇宙更为基本的描述——既不需要空间也不需要时间的宇宙——尚未被发现。这样，空间和时间这种幻象就只是人类所臆造的概念之一，对宇宙最深刻的解读将使我们看清楚空间和时间这一信念将土崩瓦解。当你在原子以及亚原子水平上研究物质的时候，炮弹的硬度、玫瑰的香气、猎豹的速度都不再有任何意义；与之类似，当我们钻研大自然的最基本法则的时候，空间和时间的概念也将自行消融。 时空并不是最基本的宇宙组成可能使你觉得有点牵强。在这一点上你的感觉可能是对的。但有关时空并不与最基本的物理定律相关联的说法并不是一个胡诌的理论。相反，这种想法的提出正是基于一系列理性的思考。下面我们一起来看看其中最出色的几个想法。 量子平均 在第12章中，我们曾讨论过空间结构以及宇宙中的其他事物究竟是怎样被归结为量子不确定性的涨落的。你或许还记得，正是这些涨落，一下子冲垮了点粒子理论；也正是这些涨落，使得人们无法从点粒子理论中得到一个合理的量子引力理论。弦论则不然，它用圈和片代替了点，抹平了涨落——从根本上减小了量子涨落的幅度。就是这样，弦论成功地统一了量子力学和广义相对论。然而，大大减弱了的时空涨落仍然可以存在（就像图12.2中倒数第二层所展示的放大效果），而我们将以它们为线索来思考时空的命运。 首先，我们了解到，人们所熟知的空间和时间——就是浮现在我们脑海中、用在方程式中的那个空间和时间——来自某种平均过程。当你的脸贴近电视机荧屏的时候，你看到的是一个个像素。这时的感觉与你在一个舒适的距离看电视时的感觉大为不同。这是因为，当你的眼睛没法分辨单独的像素时，它就会把各个像素组合起来平均一下，从而得到平滑过渡的图像。请你注意，只有通过这样的平均过程，由大量的像素构成的图像看起来才是连续的画面。同样，时空的微观结构中也存在着随机波动，但是由于不能在那么小的尺度上分辨时空，我们没法直接知晓这些随机波动。我们的肉眼，甚至我们最为强大的设备，会将这些波动平滑起来得到均匀连续的感觉，就像看电视那样。由于这些波动是随机的，因而在一个小区域内“向上”的波动很可能同“向下”的波动一样多，这样平均一下，大体上就会彼此相消，使我们看到一个平和的时空。但是，与电视机的情形类似，时空之所以以平滑安稳的形式出现，仅仅是由于平均过程的存在。 我们熟悉的时空其实是一种幻象，对于这一说法，量子平均提供了一个非常实际的解释。平均方法的用途很多，但天生就有不能为深层细节提供清楚图像的特点。尽管平均说来，每个美国家庭有2.2个孩子，但你能找出一个有2.2个孩子的家庭吗？尽管一加仑牛奶的平均价格是2.783美元，你却找不到一家按这个价格卖牛奶的商店。我们熟悉的时空也是这样，尽管其自身为平均过程的结果，却不能描述那些我们想要将其称为“基本”的概念的细节。空间和时间只是一种近似，一种集群概念，一种在除最微观尺度外的几乎所有尺度上研究宇宙的极好工具，一种类似于有2.2个孩子的家庭的幻象。 我们来看看第二种相关的见解：尺度越小则量子涨落越强意味着不断地将距离或间隔分割成更小单位的概念可能会在普朗克长度（10-33厘米）与普朗克时间（10-43秒）附近走到尽头。我们在第12章中讨论过这一想法。我们曾经强调过，尽管这一概念与我们从日常生活中获得的空间和时间的感受完全不同，但与日常生活有关的性质被推广到微观尺度时变得面目全非实在没什么值得惊奇的。既然空间和时间的无限可分性是我们日常生活中所熟知的性质，那么这一概念的不再适用就成了另一条线索：暗示我们微观尺度上隐藏着某些我们不了解的东西——或许可称为时空基底的半成品的东西——它构成了我们所熟悉的时空概念。我们认为这尚未明确的组分，这最基本的时空体，不可以再被分成更小的片；因为我们最终会到达量子涨落非常猛烈的尺度，而在那里将没有我们日常在大尺度上感受到的时空。看起来基本层次上的时空组分——不管它到底是什么——被平均过程彻底地改变了面貌，以至于成为我们在日常生活中所体验到的时空。 因而，在最深层次的大自然定律中寻找熟悉的时空可能就像一个音符一个音符地听贝多芬的《第九交响曲》，或者就像一笔一笔地看莫奈的画。在最基本的层面上，自然界中的时空就像这些人类表现力中的极品一样，其整体与其部分完全不同，全无类似之处。 翻译中的几何 另一种想法，物理学家称之为几何对偶性的理论，同样提出时空可能并不具有基本性，只不过提出这一论断的角度相当不同。相比于量子平均，描述这一理论时需要更多的专业术语，因此你要是觉得这一小节太过晦涩，那就略过不读好了。不过很多研究者都认为这些想法是弦论中最具象征意义的内容，因而努力读一读，试着了解其主旨还是很值得的。 我们在第13章中看到，本以为不同的5种弦论究竟为什么是同一种理论的5种翻译。我们在众多内容中特别强调这一点，是因为很多时候这种翻译会使极其困难的问题变得简单一些。但是，在统一5种理论的翻译字典中，有一种目前为止我一直忽略没提的特性。将一个问题从一种弦论中的形式翻译到另一种弦论中的形式时，其困难度会大幅度变化；同样的，将一个问题从一种时空的几何形式描述转换到另一种时空的几何形式描述时，问题的困难度也会有大幅度变化。我要说的就是这个。 在我们的日常生活中，空间只有三维，时间只有一维，而弦论则需要更多的维度。这就使我们有理由探讨额外的维度究竟藏在哪里这样的问题，就像我们在第12章和第13章中做的那样。我们当时找到的答案是这些额外的维度会蜷曲起来，它们蜷曲以后的尺度如此之小，以至于我们目前的实验水平还无法触及。在那些章节中，我们也弄明白了在我们熟悉的大维度上的物理依赖于额为——具有按不同几何形式蜷曲的额外维度的另一种弦论。 而且，时空几何上的差异并不会很小。比方说，要是IIA型弦论中的一个维度被蜷曲为一个圆环，如图12.7所示，那么那本字典就会告诉你这个理论完全等价于其中一个额外维度蜷曲为圆环的IIB型理论，而且，IIB型弦论中的圆环半径反比于IIA型弦论中的圆环。如果一个圆环很小，另一个就会很大，反之亦然，因而没有任何办法可以分清两种几何（这里我们用普朗克常数的倍数来表示距离。如果一个圆环的半径为R，则数学字典会告诉你另一个半径为1/R）。你可能会觉得搞清楚哪个是大圆环哪个是小圆环非常容易，但在弦论中可真的没有那么容易。所有的观测都得自于弦之间的相互作用；而这两种弦论，具有一个大圆环维度的IIA型弦论和具有一个小圆环维度的IIB型弦论，只不过是同一物理的不同翻译版本——只不过是不同的表述方式而已。你在一种弦论框架下描述的所有观测都可以在另一种弦论中找到完全等价的描述，尽管每种理论的语言以及所给出的解释会有所不同。[之所以有这种可能，则是因为对于沿圆环维度运动的弦来说，可能存在两种定性上全然不同的构造：一种是弦像绕在锡杯上的橡胶圈那样绕在圆环维度上；另一种则是弦被固定在圆环维度的某处而不是绕着它。前者具有正比于圆环半径的能量（半径越大，缠绕它的弦就要被拉伸得越长，因此弦中蕴藏的能量也就越大）；后者具有反比于半径的能量（半径越小，弦在圆环维度所能占据的就越多，所以弦运动时由于量子不确定性而导致的能量也就越大）。值得注意的是，要是我们可以将原本的圆环半径反换，并同时将“蜷曲的”弦同“不蜷曲的”弦交换，则物理能量——以及更普遍意义上的物理——将不受影响。这一点正是字典在将IIA型弦论翻译为IIB型弦论时所需要的，也正是两种显然不同的几何——大圆环维度和小圆环维度——可以彼此等价的原因所在。] 若我们将额外维度的形状由简单的圆环变为第12章中讲过的更为复杂的卡拉比—丘流形，我们还将得到类似的想法。额外维度蜷曲为特定的卡拉比—丘流形的某种弦论可以被字典转译为额外维度蜷曲为不同的卡拉比—丘流形的另一种弦论（我们说两者互为镜像或者对偶）。在这些例子中，不仅卡拉比—丘流形的大小可以不同，它们的形状，包括其上的洞的种类和数目，也可以不同。但是那本翻译字典却能保证它们按照正确的方式有所区别，因而，尽管额外维度的尺寸和形状不同，不同的理论所蕴含的物理却是完全相同的（在一个给定的卡拉比—丘流形中可能有两种类型的洞，弦的振动模式——以及所诱导的物理——仅对两种类型的洞的数目之差敏感。所以，如果在某个卡拉比—丘流形上有2个第一种类型的洞，以及5个第二种类型的洞；而在另一个卡拉比—丘流形上有5个第一种类型的洞，以及2个第二种类型的洞，那么虽然这两个卡拉比—丘流形的几何形状不同，但它们对应的理论将带来同样的物理[插图]）。 从另一个角度看，这对“空间并非基本概念”这一猜测是一个有力的支持。用5种弦论中的某一种描述宇宙的人将会宣称包括额外维度在内的空间具有某种特殊的大小和形状；而用另一种不同的弦论描述宇宙的人将会宣称包括额外维度在内的空间具有另一种不同的大小和形状。这两个人观测的是同一个物理宇宙，却给出了两种不同的数学描述，而这并不意味着两者中必有一个是错的。他们可能都是正确的，尽管他们有关空间的结论——大小和形状——不尽相同。还需要注意的是，这里并不是说他们按照不同的却等效的方式切割时空，就像狭义相对论中那样。这两位观测者所不能达成共识的乃是时空自身的整个结构。这就是关键之所在。如果时空真的是基本的，大多数物理学家都会认为每个人，不论其视角如何——不管他们用的理论语言是怎样的——都将会就时空的几何性质达成共识。但现在的情况是——至少在弦论中是——使用不同理论的人们不能就时空结构达成共识，而这一点正意味着时空很可能是个次级现象，而不是基本概念。 因而我们就自然地被带到这样一个问题前：如果前面两节所讨论的线索的确为我们指引了正确的方向，即我们熟悉的时空只不过是某种基本实体的大尺度表象，那么这种实体究竟是什么？它又具有哪些性质呢？今天还没有人能够回答这个问题。但是在探寻这个问题的路上，研究者们发现了更多的线索，而最重要的线索来自对黑洞的思考。 黑洞的熵有什么用 黑洞可算是宇宙中最难以捉摸、最老谋深算的家伙。从外部来看，黑洞要多简单有多简单。黑洞的3个特性分别是质量（质量将决定黑洞的大小，也就是其中心到其视界——一旦触碰则有去无回的隐蔽表面——的距离）、电荷，以及自旋速度。这就是黑洞。只要搞清了这几点就可以看到黑洞向宇宙展现的面貌。物理学家将这一点总结为“黑洞无毛”，也就是说黑洞缺乏那种有个性的具体特征。如果你见过了一个具有特定质量、电荷和自旋（当然，你只能间接地通过环绕黑洞外的气体和星体来获得这些信息，因为黑洞是黑的）的黑洞，那你就见过了所有具有相同质量、电荷和自旋的黑洞。 然而，黑洞岩石般坚硬的外表下，却匿藏了现今所知的宇宙中最极端的狂乱。在一切具有给定尺寸的任意可能组成的物理系统中，黑洞包含着最高可能性的熵。根据第6章讲过的内容，我们可以粗略地讲，这一结论得自于熵的定义——熵是物体内部组分重排数目的量度，与物体的外在无关。至于黑洞，虽然我们并不知道在其内部究竟有些什么——因为我们根本不知道物质撞进黑洞后会发生些什么——我们却可以心安理得地说黑洞内部成分的重新排列组合并不会对黑洞的质量、电荷和自旋产生影响，就像把《战争与和平》的页码打乱重排不会影响这本书的重量一样。既然质量、电荷以及自旋完全决定了一个黑洞展现给外部世界的面貌，那么所有的那些重排组合我们可以统统无视，于是我们说黑洞具有最大可能的熵。 即使讲了这么多，你还是可能会提出用下面这样的办法增加黑洞中的熵。首先造一个与给定黑洞同样大小的空心球，然后往里充气（氧气、氢气、二氧化碳，什么都行）并使之遍布整个球内部。你充进去的气越多，气体的熵就会越多，因为气体分子越多意味着可能的重排组合数目就越多。于是你就会说，只要你不停地充气，这样一直下去，早晚会超过黑洞的熵。这个办法听起来挺高明，但是广义相对论却告诉你这行不通。你充进去的气越多，球体所包容的质量就越大。在你还没来得及将它充到等体积的黑洞所含有的熵的时候，球体内不断增加的质量就会达到一个临界值，这时球体及其内部的一切就会变成一个黑洞。我们其实找不到什么办法绕过这一点。黑洞就是拥有最大的混乱度。 如果你继续往黑洞里打气，其中的熵将会怎样增加呢？熵当然会继续增加，只不过游戏规则却需要变一变。当有物质跃入黑洞贪婪的视界内时，黑洞的熵毫无疑问会增加，但是其大小也会增加。黑洞的大小正比于其质量，因而，只要你往里注入更多的物质，黑洞自身就会变得更重更大。所以，一旦你通过制造黑洞的办法使某一区域内的熵达到了最大值，那就再也找不到什么增加这个区域内的熵的办法了。这一区域内的混乱度再也不能增加了。其中的熵已经满了。无论你做什么，不管你是充进更多的气还是扔进去一辆悍马，你都只能使黑洞所占据的空间增加。因而，黑洞中所包含的熵的多少告诉我们的不仅仅是黑洞的基本性质，还会告诉我们空间自身的某种基本性：某一空间区域—— 任何空间区域内，不分地点、时间——内所能容纳的最大的熵等于与该区域等大小的黑洞中所能容纳的熵。 那么，给定尺寸的黑洞中到底能够包含多少熵呢？这正是有趣之处。我们先靠直觉猜想，用比较容易想象出来的事物来举例，比方说我们先来分析一下特百惠[插图]塑料容器中的空气的熵。如果你把两个一样的特百惠容器对接在一起，那么体积就会翻倍，相应的空气分子数目也会翻倍，于是你就会认为熵也翻倍了。具体的计算[插图]也将确证这种猜测，并会同时告诉你其他一切（比方说温度、密度等）没有发生变化。我们熟悉的物理系统中的熵正比于其体积。于是我们自然会猜测那些我们不太熟悉的物理系统中的熵也将正比于体积，因此我们就会得出结论说黑洞中的熵正比于其体积。 20世纪70年代，雅克布·贝肯斯坦与史蒂芬·霍金发现这种猜测并不正确。他们的数学分析证明黑洞的熵并非正比于其体积，而是正比于其视界的面积——粗略说来是正比于其表面积。这是一个全然不同的结果。要是你把黑洞的半径翻倍，其体积就会变为原来的8（23）倍，而其面积则只变为原来的4（22）倍；要是你把黑洞的半径变为原来的100倍，其体积就会变为原来的100万（1003）倍，而其面积则只变为原来的1万（1002）倍。黑洞体积的变化速度要大于黑洞表面积的变化速度。[插图]因而，虽然黑洞所能够包含的熵是所有给定大小的事物中最多的，但贝肯斯坦与霍金却证明黑洞所包含的熵比我们之前简单估算的结果小得多。 熵正比于表面积并不仅是黑洞同特百惠容器之间的一个古怪差别，要是那样的话我们就可以做个笔记然后继续往后讲。我们已经知道（即使只是在理论上），黑洞为空间区域内所能填充的熵的数量设定了上限：取一个与所要讨论的区域等大小的黑洞，找到这个黑洞中的熵的大小，这个数值就是所要讨论的空间区域中所能容纳的熵的上限。既然这个熵，如贝肯斯坦与霍金证明的那样，正比于黑洞的表面积——黑洞的表面积正好等于所讨论的区域的表面积，因为我们假定两者具有相同的大小——我们就可以得出结论说任意给定空间区域内所能容纳的最大熵正比于该区域的表面积。[插图] 这里所得到的结论同思考塑料容器中的气体所得到的结论（在那段讨论中我们发现容器中的熵正比于容器的体积而不是表面积）之间的分歧很容易解释：因为我们事先假定了容器内的气体分子均匀分布，所以我们在讨论塑料容器时实际上忽略了引力；可是不要忘了，当引力起作用的时候，事物会聚团。当密度很低的时候，忽略引力是没问题的，但如果所讨论的问题牵涉到很大的熵，密度很高，那引力就要起作用了，而那段用特百惠塑料容器所做的分析就不再有效了。这种极端条件需要贝肯斯坦与霍金那种基于引力的计算，得到的结论也应当是空间区域中所能容纳的最大熵正比于其表面积，而不是体积。 话说回来，我们为什么要在乎这些呢？原因有两个。 首先，熵界提供了另外一条超小尺度上的空间具有细小结构的线索。具体说来，贝肯斯坦与霍金发现，如果你在头脑中往黑洞视界上画一张跳棋盘，其中每个小格子的大小都是一个普朗克长度乘以一个普朗克长度（所以每个这样的“普朗克方块”的大小是10-66平方厘米），那么黑洞的熵就等于填满整个黑洞表面所需要的小格子的数目。[插图]到了这里我们就很难放过这样一个结论：每一个普朗克方块就是一个最小的空间基本单元，它所具有的熵就是最小单位的熵。这就意味着——即使只是在理论上——普朗克方块内什么都发生不了，因为任何一种活动都会带来无序度的提升，而那就会导致普朗克方块内的熵大于贝肯斯坦与霍金算出来的那一个单位的熵。于是又一次，我们从一个全然不同的视角出发，最后得出了存在基本空间实体的认识。[插图] 另外，对一位物理学家来说，某一空间区域中可能存在的熵的上限是一个临界的，几乎具有神圣意义的量。要明白为什么会这样，试着想象一下你正在跟一位行为精神病学家一起工作，你的任务是每时每刻详细记录一群过度活跃的小朋友之间的相互影响。每天早上你都会祈祷上帝，希望今天小朋友能够表现得好点，因为小朋友们制造的麻烦越多，你的活就越麻烦。虽然直观上看理由很明显，但我们还是有必要说清楚：小朋友们的行为表现越混乱，你需要记录下来的内容就越多。宇宙就给了物理学家们一个这样的挑战。一个基本层面上的物理理论需要描述给定区域内一切正在发生的事——或者可能会发生的事，即使这事只有理论上的可能性。而且，就像记录小朋友们的活动那样，一个区域内所能容纳的混乱程度越高——即使只有理论上的可能性——物理理论所必须说明的内容就越多。因而，一个区域内所能容纳的最大熵就是一块简单但锋利的试金石：物理学家们期望真正意义上的基本理论应该能够完美地匹配出任意空间区域的最大熵。这个真正的基本理论应该几乎不需要调节参数就能与大自然相符，其所能记录的最大混乱度应该正好等于一个区域所能有的最大无序度，既不多也不少。 问题在于，如果对特百惠容器的思考所得出的结论具有无限的有效性，那么一个基本理论就得有能力计算正比于任意区域体积的混乱度。但是这种思考却没将引力算在内，而一个基本理论又必须包括引力，于是我们知道了一个基本理论只要有能力计算正比于任意区域表面积的混乱度就足够了。从前面几段给出的例子中，我们可以清楚地看到，对于比较大的空间区域，混乱度正比于面积会比正比于体积小得多。 因而，贝肯斯坦与霍金的结果告诉我们，在某种意义上，一个包括了引力的理论将比一个没有包括引力的理论简单些。包括了引力的理论所必须描述的“自由度”将更少——能够变化因而会对混乱度有贡献的东西更少。这一认识本身就非常有趣，而假如我们沿着这种思路更进一步的话，我们就将发现一些极为古怪的事情。如果任意给定的空间区域内的熵的最大值正比于空间的表面积而不是体积的话，那么真正基本的自由度——那些能够带来混乱度的特性——或许存在于区域的表面而不是内部。或许，宇宙中真正的物理过程都发生在一张薄薄的环绕着我们的遥远表面上，我们所看到和体验到的一切只不过是这些过程的一个投影。或许，宇宙就像全息图一样。 这一想法非常古怪，但正如我们将要论及的那样，它最近得到了很多实质性的支持。 宇宙是一幅全息图吗 所谓的全息图实际上是一张二维的塑料板，但这张塑料板上所刻蚀的内容在适当的激光照射下会投影出三维的图像。[插图]早在20世纪90年代，荷兰诺贝尔奖得主杰拉德·特霍夫特与弦论的另一个创造者莱昂纳德·萨斯金就曾提出，宇宙本身的运行模式可能就像全息图一样。这两位物理学家提出了一个惊人的想法：我们在日常生活的三维世界中所观测到的过去、现在和将来可能是发生在遥远的二维表面上的物理过程的全息投影。按他们新奇的观点，我们和我们所看所做的一切就像全息图一样。在柏拉图看来，普通的人类感知所感受到的只不过是真实的影子，全息原理承认这一点，只不过认为位置应该颠倒一下。影子——那些存在于低维表面的扁平家伙——才是真实的，而看起来结构更加丰富的高维事物（我们，以及我们周围的整个世界）反倒是影子那轻盈的投影。[插图] 尽管这是一个相当不可思议的想法，并且我们也不知道这个想法究竟能在多大程度上帮助我们最终搞清楚时空，特霍夫特和萨斯金的所谓“全息原理”还是非常有启发性。正如我们在上一节中所讨论过的，空间中某块区域所能容纳的最大熵由该区域的表面积而不是体积决定。于是自然就会想到，宇宙最基本的组成，其最基本的自由度——携带着整个宇宙的熵的那些东西，就像携有《战争与和平》的熵的书页——就应该在宇宙的边界面上而不是在宇宙的内部。我们在宇宙的“体内”——用物理学家常说的话即为“在体空间（bulk）中”——所体验的一切，实际上是由发生在边界面上的物理所决定的，正如我们在全息投影中看到的一切是由刻蚀在塑料板上的信息编码决定的一样。物理定律如同宇宙的激光，照亮宇宙的真实过程——发生在远方薄薄的表面上的过程——并产生出我们日常生活的全息幻象。 我们还没能搞明白究竟怎样才能在真实世界中实现全息原理。困难之一在于我们对宇宙的传统描述，将宇宙想象成无限膨胀下去或者蜷曲回自身——就像球面或者电子游戏屏幕那样（参见第8章），不管怎样宇宙都不会有什么边界。这样一来，这个所谓的“边界全息面”究竟该被安置在哪就成了问题。而且，物理过程看起来不就是在我们的掌控之中吗？不就是发生在宇宙内部吗？怎么看也不像是连其位置都弄不清楚的边界的事物决定了体空间中发生的一切。难道全息原理要告诉我们的是，那种种一切尽在掌控的感觉和自主意识其实都是虚幻的？又或者我们应该将全息原理看成某种对偶性？根据这种对偶性，每个人可以基于品味而不是物理选择熟悉的表述方式——在体空间中起作用的基本物理定律（这种体空间内的物理定律符合人类的直觉与感知），或者不熟悉的表述方式——在宇宙边界上起作用的基本物理定律，这两种视角彼此等价。关于这些重要的问题目前仍有很多争议。 1997年，在先前几位弦论学家的启迪下，阿根廷物理学家胡安·马达西纳取得了重大突破，出人意料地推动了对这些问题的思考。马达西纳的发现并没有直接回答全息原理在我们的真实世界中所扮演的角色问题，他只是按照传统的物理学家风格，找到了一个理想模型——一个假想的宇宙，在这个假想的宇宙中，关于全息原理的各种奇思妙想可以通过数学变得具体而精细。出于技术上的原因，马达西纳研究了一个具有4个空间维度和1个时间维度的假想宇宙，并且假定这个宇宙的所有维度都有相同的负曲率——你可以把这样的假想宇宙想象成图8.6（c）中那样的品客薯片。标准的数学分析表明这个五维时空有一个边界，[插图]并且就像所有的边界一样，这个边界也比它所包裹的形状少1个维度：也就是说该边界有3个空间维度和1个时间维度（和以前一样，我们还是很难想象高维形状的样子，所以你要是非得在脑海中想点什么东西的话，那就想象有一听番茄罐头——罐头盒中的三维番茄就可以类比于五维时空，而罐头盒表面二维铁皮就类比于我们所要讨论的四维时空边界）。马达西纳又将弦论所要求的那些额外的蜷曲维度考虑进来，然后他满怀信心地提出：一个生活在这个假想宇宙中的观测者（番茄罐头中的观测者）所见证的物理可以由发生在这个宇宙边界上的物理（罐头盒表皮上的物理）全盘描述。 尽管这一研究工作所讨论的内容并不是真实世界的物理，但它却给出了将全息原理具体实现的第一个坚实且可数学化处理的例子。依靠这种办法，人们对于将全息原理应用于整个宇宙多了一些概念上的认识。比如说，在马达西纳的工作中，物理定律的体空间描述和边界描述是完全等价的，两者之间不存在谁高谁低的问题。这里的精神实质就如同5种弦论之间的关系，体空间理论与边界理论彼此互为转译。这种特殊翻译的不平凡之处在于，体空间理论比等效的边界理论有更多的维度。另外，体空间理论中包括了引力（因为马达西纳是靠弦论得出这些结果的，而弦论是包括了引力的），而计算表明边界理论中则不包括引力。不过，在一个理论中提出的任何问题或者完成的任何计算都可以被翻译为另一个理论中的问题和计算。尽管不熟悉字典的人可能会认为两个理论中彼此对应的问题与计算一点关联性都没有（比如说，边界理论没有包括引力，因而在体空间理论中与引力有关的问题都得被翻译成边界理论中面目全非的无引力问题）；但是一个对于两种语言都很熟悉的人——同时为这两种理论的专家——却能看出两者之间的对应关系，并且会知道在不同理论中对应问题的答案以及对应计算的结果必定彼此符合。事实上，到目前为止完成的所有计算全部支持这一论断。 注35 对更加偏爱数学语言的读者，马达西纳的工作是在AdS5×S5的框架下展开的，其边界理论来自AdS5的边界。 要想搞清楚这其中的种种细节显然是很困难的，但不要被这些细节遮住了要点。马达西纳的结果非常神奇。他在弦论的框架下，具体地实现了全息原理，虽然仅是一种与现实世界无关的理论上的讨论。马达西纳证明了某种没考虑引力的量子理论其实是另一种包括了引力且多一个空间维度的量子理论的翻译，而且两者无法区分。而为了将这些思想应用于更加真实的宇宙——我们的宇宙——而展开的研究计划正在进行中，但由于技术上的复杂性，进展非常缓慢（马达西纳之所以选择了一个假想的研究对象就是因为他所选用的研究对象在数学分析上稍微容易一些，而更加接近于真实的例子则很难对付）。不管怎样，我们现在已经知道了弦论——至少在某种程度上——有能力支持全息原理的概念。而且，就像早前讲过的几何翻译的例子，这里讲到的全息原理也提供了一条时空不具有基本性的线索，除了时空的尺寸和形状可以在不同的理论之间来回翻译，空间维度的数目也可以在完全等价的不同理论之间改变。 越来越多的线索都指向同一个结论：时空的形式只是一个无关紧要的细节，在不同的物理理论体系下，时空的形式会发生改变，而不是具有真实性的一个基本元素。就像单词cat的字母数、音节以及元音全都不同于其西班牙语翻译gato一样，时空的形式——其形状、大小以及维数——也会在翻译过程中有所改变。对于任何一位运用某种理论来思考宇宙的观测者来说，时空看起来都是那么真实且不可或缺。而一旦这位观测者将其理论体系变变样子，用一个等价的翻译版再去分析，就会发现先前的真实与不可或缺已不再成立。因而，如果这些想法是正确的——我必须强调它们已被严格证明——那空间和时间的地位就会被强烈动摇。 在本章讨论过的所有例子中，我认为最有可能在未来的研究中扮演重要角色的将是全息原理。全息原理发端于黑洞的一个基本性质——黑洞的熵，而很多物理学家都会同意，对黑洞的熵的认识需要坚实的理论基础。即使我们现有理论的细节需要有所改变，任何合理的引力理论也都必须为黑洞留有一席之地，于是从中得出的有关熵界的讨论将继续有效，全息原理也仍有用武之地。弦论自然而然地顺应全息原理——至少在可应用数学分析的例子中是这样的，是全息原理可靠有效的另一个强有力的证据。我认为，不管未来有关空间和时间的基础的研究会把我们带到哪里，也不管等待我们的是弦论或M理论的哪种疯狂变种，全息原理都将继续保持其先导性概念的地位。 时空的组分 纵观全书，我们时不时地就会提到时空的超小尺度组分，尽管我们进行了很多有关其存在性的间接讨论，但到目前为止我们还没有谈过它们究竟可能是什么。之所以如此实在不得已，因为我们根本不知道它们是些什么。或者，我可以这么说，一旦需要辨识时空的基本成分时，我们才发现我们根本不知道令我们信心满满的究竟是些什么。尽管这是我们思考过程中的一个主要障碍，但还是有必要从历史发展角度来仔细看看这个问题。 要是你能够对19世纪晚期的科学家做一个问卷调查，看看他们对物质的基本组成有些什么样的看法，你会发现根本找不到一个大家普遍认同的答案。一个多世纪前，原子假说还有很多争议，很多著名的科学家——欧内斯特·马赫就是其中之一——认为原子假说是错误的。而且，从原子假说被广为接受的20世纪前叶开始，科学家们就没有停止过更新原子论的图像，越来越多的基本组分被不断提出（比如说，先是提出了质子和中子，后来又提出了夸克）。沿着这条路一路走来，最新的一步就是弦论。但是因为弦论一直不能得到实验的证实（即使弦论被实验证实，那也并不意味着排除了其他有待发展的更高级理论），我们必须坦白承认对自然界中的物质的基本组成的研究尚未到头。 空间和时间被纳入现代科学理论可追溯到牛顿时代的17世纪，而对其微观组分的严肃思考则需要20世纪广义相对论和量子力学的发现。因而，从时间角度说，我们对时空的研究才刚刚起步；因而，不能给时空“原子”——时空最基本的组分——一个明确的说法并不是这个研究项目上的一大污点，甚至可以说是远远不是。我们所得到的已经够多了——我们已经搞清了大量完全有别于日常经验的时空性质——这已经证明我们比一个世纪前进步了很多。对大自然的最基本元素——不论是物质的基本组分还是时空的基本组分——的研究，将会是我们在未来一段时间内所面临的强大挑战。 对于时空来说，在寻找其基本组分方面目前存在两个大有希望的方向。其中之一为弦论，而另一个则是所谓的圈量子引力理论。 弦论的方案要么令你直觉上觉得很不错，要么令你感到非常困惑，全看你究竟把它想得多难。当我们说到时空的“结构”时，我们的话中已经暗含了弦论的提案，或许时空就是由弦编织起来的，就像衬衫是由线编织起来的那样。这就好比将大量的线按照一定的模式连接起来就产生了衬衫的结构，或许将大量的弦按照一定的模式连接起来就产生了我们通常称为时空结构的东西。物质，比方说你和我，则可归结为振动的弦的再次聚合——就像明快的音乐是由一个个单调的声音组成或是漂亮的绣花是由朴素的材料织成，而物质还将在时空的弦织成的框架中移动。 我认为这是一个引人入胜的想法，可惜还没人能够将它转变成精确的数学语言。我只能告诉你，它实在是比你想象的还要难对付。比方说，要是你的衬衫被完全扯烂了，就会剩下一堆线头——虽然视环境不同，你可能会感到难堪或者恼火，但不会感到有什么神秘之处。而讨论的对象变成弦的话——在我们讨论的这个想法中，弦就是用来编织时空的线——那就颇费脑力了（至少对我是这样）。我们究竟该怎样看待这“堆”从时空布片上扯下来的弦？或许更为切中要害的说法应是，我们究竟该怎样看待还没有缝合成时空之布的弦呢？我们可能会简单地将这些弦类比成织成衬衫的线——就将弦想象成需要编织起来的原材料——但要这么想的话就丢掉了一个极其重要的细节。在我们勾画的图像中，弦是在时空中振动。但是，若时空之布是由弦有序编织起来的话，就根本没有空间，也没有时间。在我们要讨论的这个想法中，空间和时间的概念根本就没有意义，除非数不胜数的弦交织起来编成时空。 因而，要想令这个方案有意义，我们还需要一个理论框架来描述弦。在这个框架下，我们用不着从一开始就假定弦在默认存在的时空中振动。我们需要一个无空无时的弦论体系，在这个体系中，时空来自弦的集群效应。 尽管我们在这个方向上已经取得了一些进展，但还没人能够给出这样一套无空无时的弦论体系——物理学家将具有这种属性的体系称为不依赖于背景的体系（使用这样术语的原因在于，物理学家们将时空视作一个不严格的背景，以区别于发生于其中的物理事件）。与之相反的是，本质上所有的方法都认为，弦是在时空中移动以及振动，而时空的概念则是“用手”放到理论中的；时空并非脱胎于理论本身——在物理学家设想的不依赖于背景的体系中，时空就应该来自理论本身——而是由理论学家添加到理论中去的。很多研究者将不依赖于背景的体系的发展看作弦论所面临的未解时空的组分 纵观全书，我们时不时地就会提到时空的超小尺度组分，尽管我们进行了很多有关其存在性的间接讨论，但到目前为止我们还没有谈过它们究竟可能是些什么。之所以如此实在不得已，因为我们根本不知道它们是些什么。或者，我可以这么说，一旦需要辨识时空的基本成分时，我们才发现我们根本不知道令我们信心满满的究竟是些什么。尽管这是我们思考过程中的一个主要障碍，但还是有必要从历史发展角度来仔细看看这个问题。 要是你能够对19世纪晚期的科学家做一个问卷调查，看看他们对物质的基本组成有些什么样的看法，你会发现根本找不到一个大家普遍认同的答案。一个多世纪前，原子假说还有很多争议，很多著名的科学家——欧内斯特·马赫就是其中之一——认为原子假说是错误的。而且，从原子假说被广为接受的20世纪前叶开始，科学家们就没有停止过更新原子论的图像，越来越多的基本组分被不断提出（比如说，先是提出了质子和中子，后来又提出了夸克）。沿着这条路一路走来，最新的一步就是弦论。但是因为弦论一直不能得到实验的证实（即使弦论被实验证实，那也并不意味着排除了其他有待发展的更高级理论），我们必须坦白承认对自然界中的物质的基本组成的研究尚未到头。 空间和时间被纳入现代科学理论可追溯到牛顿时代的17世纪，而对其微观组分的严肃思考则需要20世纪广义相对论和量子力学的发现。因而，从时间角度说，我们对时空的研究才刚刚起步；因而，不能给时空“原子”——时空最基本的组分——一个明确的说法并不是这个研究项目上的一大污点，甚至可以说是远远不是。我们所得到的已经够多了——我们已经搞清了大量完全有别于日常经验的时空性质——这已经证明我们比一个世纪前进步了很多。对大自然的最基本元素——不论是物质的基本组分还是时空的基本组分——的研究，将会是我们在未来一段时间内所面临的强大挑战。 对于时空来说，在寻找其基本组分方面目前存在两个大有希望的方向。其中之一为弦论，而另一个则是所谓的圈量子引力理论。 弦论的方案要么令你直觉上觉得很不错，要么令你感到非常困惑，全看你究竟把它想得多难。当我们说到时空的“结构”时，我们的话中已经暗含了弦论的提案，或许时空就是由弦编织起来的，就像衬衫是由线编织起来的那样。这就好比将大量的线按照一定的模式连接起来就产生了衬衫的结构，或许将大量的弦按照一定的模式连接起来就产生了我们通常称为时空结构的东西。物质，比方说你和我，则可归结为振动的弦的再次聚合——就像明快的音乐是由一个个单调的声音组成或是漂亮的绣花是由朴素的材料织成，而物质还将在时空的弦织成的框架中移动。 我认为这是一个引人入胜的想法，可惜还没人能够将它转变成精确的数学语言。我只能告诉你，它实在是比你想象的还要难对付。比方说，要是你的衬衫被完全扯烂了，就会剩下一堆线头——虽然视环境不同，你可能会感到难堪或者恼火，但不会感到有什么神秘之处。而讨论的对象变成弦的话——在我们讨论的这个想法中，弦就是用来编织时空的线——那就颇费脑力了（至少对我是这样）。我们究竟该怎样看待这“堆”从时空布片上扯下来的弦？或许更为切中要害的说法应是，我们究竟该怎样看待还没有缝合成时空之布的弦呢？我们可能会简单地将这些弦类比成织成衬衫的线——就将弦想象成需要编织起来的原材料——但要这么想的话就丢掉了一个极其重要的细节。在我们勾画的图像中，弦是在时空中振动。但是，若时空之布是由弦有序编织起来的话，就根本没有空间，也没有时间。在我们要讨论的这个想法中，空间和时间的概念根本就没有意义，除非数不胜数的弦交织起来编成时空。因而，要想令这个方案有意义，我们还需要一个理论框架来描述弦。在这个框架下，我们用不着从一开始就假定弦在默认存在的时空中振动。我们需要一个无空无时的弦论体系，在这个体系中，时空来自弦的集群效应。 尽管我们在这个方向上已经取得了一些进展，但还没人能够给出这样一套无空无时的弦论体系——物理学家将具有这种属性的体系称为不依赖于背景的体系（使用这样术语的原因在于，物理学家们将时空视作一个不严格的背景，以区别于发生于其中的物理事件）。与之相反的是，本质上所有的方法都认为，弦是在时空中移动以及振动，而时空的概念则是“用手”放到理论中的；时空并非脱胎于理论本身——在物理学家设想的不依赖于背景的体系中，时空就应该来自理论本身——而是由理论学家添加到理论中去的。很多研究者将不依赖于背景的体系的发展看作弦论所面临的未解决问题中最重大的一个。不依赖于背景的体系的发展不仅会对我们关于时空起源的认识有所启发，还可能是我们在第12章最后遇到的重大问题——理论目前还不能挑选出额外维度的几何形式——的解决工具。一旦其有关任意给定时空的数学公式问题得以解决，我们的研究就可以进行下去，弦论也将有能力勘察所有的可能性，并从中找出正确的那个。 “把弦当作织起时空之线”这个方案所面临的另一大难题在于，如我们在第12章中讲过的，弦论中除了弦还有其他东西。这些其他组分在时空的基本组成中扮演的又是什么角色？这一问题在膜世界方案中变得尤为尖锐。如果我们所感受到的三维空间是一个3膜，那么这个膜究竟是本身即不可再分呢？还是由理论中的其他组分构成呢？比方说，膜究竟是由弦构成的呢？还是说膜和弦都具有基本性呢？或者我们还需要考虑其他的可能性吗？比方说膜和弦其实都是由更基本的元素构成这种可能性。这些问题就是现今的研究前沿。但既然这最后一章所关注的只是迹象与线索，就让我讲一个引起诸多关注的相关思想。 稍早前，我们讲过人们可以从弦论或M理论中找到各种膜：1膜、2膜、3膜、4膜，如此等等。尽管之前我没特意强调过，但理论中也可以有0膜——没有空间延展性的组分，就像点粒子那样。0膜看起来与整个弦论或M理论格格不入，弦论或M理论本来就是要从点粒子理论的框架下解脱出来，以调和量子引力中剧烈的波动。然而，0膜就跟它那如图13.2所示的高维兄弟们一样，附着于弦而来，因而其相互作用完全受弦掌控。所以，毫不奇怪的是，0膜不会有同传统的点粒子一样的行为；而且，最重要的是，0膜彻底参与到超微观时空涨落的延展及减弱中；0膜并不会重新引入困扰着同样试图融合量子力学和广义相对论的点粒子方案的致命缺陷。 事实上，罗格斯大学的汤姆·班克斯，得克萨斯大学奥斯丁分校的威利·费施勒，以及斯坦福大学的莱昂纳德·萨斯金和史蒂芬·森克尔提出了一个弦论或M理论，在这个理论中，0膜才是基本组分，它们可以组合到一起生成弦及其他高维的膜。这一提案，所谓的矩阵理论（matrix theory）——M理论中的M的又一层意义——引发了一股后续研究热潮，但是其中所涉及的数学如此之难，以至于到目前为止科学家们还没法将这个理论完善起来。不过，物理学家们在这个理论框架下努力完成的计算看起来是支持这一提案的。如果矩阵理论正确，那就意味着一切事物——弦、膜，甚至时空本身——都是由0膜的恰当集合构成。这一理论的研究前景令人振奋，研究者们持谨慎的乐观态度，认为未来几年的进展将使人们了解该理论的有效性。 到目前为止，我们一直沿着用弦论研究时空结构的道路前进。但正如我提到过的，还有另一条道路，它来自弦论的主要竞争对手——圈量子引力。圈量子引力出现于20世纪80年代，是另一种有希望将广义相对论和量子力学融合起来的方案。我不打算详细讲解该理论了（如果你有兴趣，可以看看李·斯莫林的优秀作品——《量子引力的3条道路》），但会提一下对我们目前的讨论特别有意义的几个关键点。 弦论和圈量子引力全都宣称自己实现了人们长久以来寻找引力的量子理论这个目标，但两者达到这一目标的方式却完全不同。取得成功的粒子物理学几十年来的传统就是寻找物质的基本组成，弦论发轫于粒子物理；对于弦论的最早研究者来说，引力最多只是一个稍远的次要关注点。与之相反的是，圈量子引力则脱胎于一个与广义相对论紧密相连的传统；对于这一方法的大量研究者来说，引力一直都是主要焦点之所在。一言以蔽之，弦论学家从小（量子理论）开始，进而包围大（引力），而圈量子引力的追随者则从大（引力）开始，进而包围小（量子理论）。[插图]事实上，正如我们在第12章中看到的那样，弦论最初是作为在原子核内起作用的强核力的量子理论发展起来的；后来人们才偶然认识到，弦论实际上可以将引力纳入其中。而另一方面，圈量子引力从爱因斯坦的广义相对论出发，试图将量子力学纳入其中。 弦论与圈量子引力这两个理论彼此首尾对应。在某种意义上，一个理论所取得的重大成就将是另一个理论的重大挫折。比方说，弦论试图用振动着的弦的语言来融合所有的力与所有的物质，其中也包括引力（避开圈方法的完整统一）。传递引力的粒子引力子，只不过是弦的一种特殊振动模式，因而弦论可以很自然地用量子力学的语言描述这些基本的引力丛如何运动、如何相互作用。然而，正如我们刚刚提到过的，弦论体系目前主要的缺陷即在于预先假定了弦运动以及振动于其中的时空的存在。相反，圈量子引力的主要成就——这一点令人印象深刻——则在于其并不假定时空的存在。圈量子引力就是一个不依赖于背景的体系。然而，从这个极其陌生的以无空、无时为起点的理论中，抽取出普通的空间和时间，以及在大尺度上获得人们熟悉且已取得成功的广义相对论的性质（用目前的弦论体系可能很容易做到），却远非易事。而且，与弦论相比，圈量子引力在对引力子动力学的理解上几乎没有前进半步。 也有一种调谐两者的可能性，即弦论的追随者与圈量子引力的拥趸所构建的可能是同一种理论，只不过出发点相差巨大。这两种理论都与圈有关——在弦论中，圈就是弦圈；而在圈量子引力中，不用数学语言实际上很难描述圈指的到底是什么，但大体说来指的是空间的基本圈，这可能意味着两者之间有某种联系。而对于少数在两个理论中都可以很好的研究地问题，比如说黑洞的熵，两个理论给出的结果完全相符，这个事实也进一步支持了两者可能是同一理论这种可能性。[插图]而且，在时空组分的问题上，两者都提出时空可能有某种微小的结构。我们已经知道了弦论所提供的有关这一问题的线索，而来自圈量子引力的线索虽然复杂但是更具说服力。圈方面的专家已经证明，圈量子引力中的无数圈可以彼此交织在一起——就像细细的羊毛卷可以编织成毛衣——生成在大尺度上看起来如同时空中的区域一般的结构。最令人欢欣鼓舞的是，圈方面的专家计算出了这种空间表面可以容许的面积。什么意思呢？比方说你可以找到1个电子、2个电子或者202个电子，但你就是不能找到1.6个电子或其他分数个电子。圈量子引力的专家们用计算证明，他们找到的空间的表面积只能是1普朗克长度的平方或者2普朗克长度的平方，又或者202普朗克长度的平方，总之不会是分数个普朗克长度的平方。再次重申，这是一个空间——就像电子——具有不可再分的结构的重要理论线索。[插图] 若要我斗胆猜一猜未来的发展的话，我估计圈量子引力学家们开发的不依赖于背景的体系会为弦论学家借用，为不依赖于背景的弦论体系开道铺路。我猜，这星星之火可能会燃起第三次弦论革命；乐观估计的话，这第三次弦论革命可能会解开很多深奥的谜题，这样的进展可能会为有关时空的漫长故事画上圆满的句号。在较早的章节中，我们有关空间、时间以及时空的观点就像钟摆一样，在相对论者与绝对论者之间摆来荡去。我们曾问道：空间是具体的还是抽象的？时空是具体的还是抽象的？而人类在过去几个世纪的思考，带给我们的却是各种彼此不同的观点。我相信，一个能够在实验上验证的，可以将广义相对论和量子力学联合起来的不依赖于背景的理论将会为这些问题提供令人满意的答案。由于这样的理论所具有的不依赖于背景的特性，这个理论中的不同部分会彼此关联，但这个理论中不会有从外面放进去的时空，理论中的各个元素将找不到一个搭好的背景舞台。重要的将只是相对关系——这是一个具有莱布尼茨或者马赫这样的相对论者所持有的精神实质的答案。那么，由于该理论中的组分——弦、膜、圈，或者在未来的研究中发现的其他什么东西——结合起来产生了我们熟悉的大尺度时空（不论是我们的真实时空还是在假想实验中有用的理论例子），时空重新变得具体起来。这一点类似于我们之前对广义相对论的讨论：即使在一个空空如也、平直、无限大的时空中（一个有用的假想例子），旋转着的牛顿的桶中的水面也会凹陷。关键之处在于，时空和更加切太空的里外 预测科学的未来既有趣又富于建设性。预测科学的未来就是要在更为宽广的背景中看待我们今日之事业，特别是我们为之努力的目标。但要说到猜想有关时空自身的研究的前景，那就难免会带有某种神秘色彩了：因为我们所要思考的乃是主宰着我们对真实性的理解的概念。再次重申，不论未来有何发现，空间和时间无疑都将继续扮演我们个人体验的载体这个角色；空间和时间，无论时光如何流逝，都将一成不变。将会持续发生改变的，将会发生不可思议的变化的，乃是我们对空间和时间所提供的框架——从实验的真实性角度说，空间和时间为我们搭建的舞台——的理解。几个世纪的思索之后，空间和时间仍然是我们最熟悉的陌生人。空间和时间从不介意现身于我们的日常生活，却始终巧妙地将自己的基本组成掩藏于其无处不在的影响力之下。 在过去的20世纪，通过爱因斯坦的两个相对论，通过量子力学，我们已经对先前那些隐藏起来的空间和时间之特性不再陌生了。时间的变慢，同时性的相对性，其他的时空片，作为空间和时间蜷曲和弯曲原因的引力，真实性的概率性，长程量子纠缠，所有的这些问题早已超出了19世纪时世界上最棒的物理学家的研究计划，但实验数据与理论诠释可以证明，这些问题的确存在。 在我们这个时代，我们也有能使自己震撼的奇思妙想。暗物质和暗能量看来必是宇宙的主要成分。爱因斯坦的广义相对论所预言的引力波——时空结构中的波纹——在未来的某一天可能会使我们有机会洞察时间。遍布整个空间的希格斯海，一旦得到实验的证实，将会帮助我们搞清楚粒子如何获得质量。暴胀式膨胀，有可能解释宇宙形状，解开宇宙在大尺度上的各向同性之谜，并为时间之箭点明方向。弦论用圈和能量片代替点粒子，并且承诺实现爱因斯坦之梦——用一个单独的理论统一所有的粒子和所有的力。弦论的数学中自然出现的额外空间维度，有可能在未来10年内通过加速器实验得以验证。在膜世界理论中，我们的三维世界被假定为漂浮在高维时空中的众多世界中的一个。甚至就连时空本身也成了问题，空间和时间的微观结构本身就是由更基本的无空无时的实体构成。 接下来的10年间，前所未有的强大加速器将为物理学家们提供急需的大量数据；很多物理学家都相信，从计划中的高能实验中收集的数据将验证很多我们讲过的新理论。我也无法免于这种狂热，也在急切地期盼着结果。在我们的理论能够与可观测量、与可检验的现象联系起来之前，它们一直徘徊在危险的边缘——它们是否能同真实世界关联起来还没人知道。新的加速器能将实验与理论更加紧密地联系起来，我们这些物理学家希望新的加速器能将大量的想法变成扎实的科学理论。 但还有另外一种令我觉得奇妙到无与伦比的想法，虽然其胜出的机会非常之小。在第11章中，我们讨论过如何在清晰的夜空中看到小小的量子涨落效应，其根据就是宇宙的膨胀会将这小小的量子效应充分拉伸，使之聚团，成为恒星和星系的种子（还记得我们做的那个类比吗？气球上的涂鸦随着气球的膨胀而在气球表面延展开来）。这个例子展示的就是通过天文学观测探索量子物理的办法。而且我们还可以进一步深入下去。或许宇宙的膨胀会使更小尺度上的过程的印记或特征——有关弦之物理，或者更普遍意义上的引力，或者超微观尺度上时空自身的微小结构——得以放大，并通过复杂但可以通过天文学办法观测的方式使其影响得以彰显。或许，宇宙已经将其微小纤维或结构在天空中清楚地画了出来，我们需要做的只是对其特征加以识别。 对深层次物理前沿理论的检验可能需要能够重新创造出大爆炸之后从未再现过的猛烈瞬间的强力加速器。但对我来说，比起确证我们有关超小尺度的理论——我们有关超小尺度上的空间、时间，以及物质组成的理论，没有什么其他的理论能更具诗情画意，也没有什么其他结果更为优雅，更不会有什么其他的统一理论会更加完备了。 暗物质，暗能量，能量守恒，时空组分，量子力学，幻象未来，时间，空间前景，量子平均，量子引力，弦论，虫洞，黑洞的熵，热力学，引力学，物质，能量，全息图

文笔细腻通俗，逻辑层层递进。把晦涩前沿物理讲得生动易懂，完整搭建时空宇宙认知框架，硬核好读，是普通人打通相对论与量子物理的必读书。

终于读完布莱恩·格林的《宇宙的结构》，一部关于我们身处的巨大而渺小的时空的史诗。 书中有当代最艰深也最前沿的物理理论，从狭义相对论、广义相对论，到量子力学、宇宙暴涨、时间之箭，再到超弦、M理论、十一维时空……一切都那样令人目眩神迷； 书中也充满着最生动最有趣的语言，和《时间简史》一样，全书没有出现任何数学公式，而每当介绍到那些深奥晦涩的理论时，作者都会给出一个我们很容易理解的身边的例子，比如用一块大面包条比喻时空，又比如用充气的气球表面比喻不断膨胀的宇宙空间。 在阅读过程中，我每每为理解了某个理论感到豁然开朗，又每每因陷入难以理解的深渊而心慌意乱。 那么，为什么要读这么深奥的理论书籍呢？这些关于天文尺度和粒子尺度的超越理解知识，和我们的日常生活又有什么关系呢？嗯……我大致想到了三点理由： 首先，物理学极大拓展了人类想象力的边界。在人类探索未知世界的历程中，科学理论和探测技术手段一直在你追我赶中前进。未知世界加上已有经验，是我们想象力的源泉，而在科学与技术的帮助下，如今的物理学理论和观测数据，已经能够清晰地解释我们目力所及、肉身所触的绝大部分自然现象，人类终于不再把一切不可理解的事物全部归为简单的神佛鬼怪，而是开始探求隐含在一切规律背后的至高无上的智慧。如果你是一个不满足于神怪解释的人，当然应该试着去了解那些更加复杂、困难但却更经得起推敲质疑的解释。 其次，当物理学走向极致，便充满了哲学意味与浪漫诗意。对于未知的好奇心，让人类总想给一切找一个道理，而无论是哲学的思辨，还是科学的试验，本质都是人类追寻真理的方式，两者那模糊的分野，恰存在于已知与未知的交界地带。只要物理学不能解释大爆炸之前发生的事情，本体论哲学就能继续思索下去；只要物理学不能为我们清晰展现十一维时空，哲学就能继续为时空的真实与虚幻辩论下去。而每当我们将目光投向数十亿光年之外的浩瀚星辰，或是想象与永不可测的粒子相伴旅行，我们就瞬间在过去、现在和未来中迷失，那个时候，我们也许应该暂时放下严肃的哲思与科学理论，用更加浪漫的眼光体察这个诗意的世界。我们得以窥见这伟大的诗意，应当拜物理学所赐。 最后，从最实用主义的角度来看，了解最前沿的物理知识，也有助于我们避免欺骗。物理学向极致的发展过程中，让理论与经验直觉之间的差距越来越大，从而留下了宽阔的模糊地带，成为伪科学骗子们生存的温床。他们只要稍稍断章取义地引用某个真实的科学理论，与我们日常的某些奇异体验挂钩，再辅以某些广泛的宗教文化认知，就能创造出足以令大多数人信服的歪理邪说。每当我看到听到有人将量子物理的种种诡异特性和佛教、道教、超自然、心灵体验、意识和潜意识等相联系时，我就会心生强烈的警惕，我想，这是阅读科普书籍带给我的强大盔甲，也让我更愿意向更多的人传递科学的思维方式，让更多人免遭别有用心的欺骗。

爱因斯坦的广义相对论预言，两个黑洞猛烈碰撞、合并时，会让周围的时空产生向外传播的波动，即“引力波”。2015年，LIGO首次直接探测到了引力波。可以说，人类第一次直接捕捉到了时空结构的变化，为广义相对论关于时空的理论提供了有力的实验支持。 相比之下，弦理论虽然数学结构优美，也试图解释物理学中一些最深层的问题。遗憾的是，目前还缺乏直接的实验验证和天文观测的支持。真希望有一天，科学家能够为这个优美的理论找到证据，让它从一个迷人的思想，真正走进我们的物理世界。

2020年第11本书。 格林不写童话。又是一本不太容易看懂的书，弦时空，膜世界，六维还是十一维？从自洽的角度看，宇宙应该是十一维的，另外七个维度哪里去了？蜷曲起来了，收缩到普朗克长度以内，我们测不到。那么会不会存在某个点，某些收缩的维度被打开，时空呈现五维甚至六维呢？不能说没有这个可能。 对于时间旅行，我不看好。如果能到未来，那么我们今天会不会经常遇到十八世纪的人？如果能到过去，那么今天这个世界上，应该到处都是未来人！他们来自可能2100年，也可能来自3000年！然而现在却很少遇到，也没听说谁曾经遇到过。时间旅行更像是一部科幻电影。

最近又买了纸质版来重读， 特别好

即使上过卡洛•罗韦利老师的课，布莱恩格林这本书也并不能完全无痛阅读…还好布老师确实爱打比方，才能让我跟得上。在时空和宇宙物理学方面大概涉及的很全面了，比起理论的陈述，探索的过程着墨更多。从牛顿的桶到浸泡在高纬度宇宙中的3膜，物理学家们为了补足感官上的缺陷而追求智力上的不断更新，如此激励人心。最后一部分，从制造虫洞时光机来谈论时间旅行，还有我们或许只是二维宇宙的全息投影的猜想，这些未解之谜和未来的展望，不知道我的有生之年是否还能等到结论