时空是量子

我们对物理世界理解的核心部分存在一处悖论。20世纪留给我们的两大珍宝，广义相对论与量子力学，对理解世界与今日技术而言是十分丰富的馈赠。从前者之中发展出了宇宙学、天体物理学，以及对引力波和黑洞的研究。后者则为原子物理学、核物理学、基本粒子物理学、凝聚态物理学及许多其他分支奠定了基础。

然而在两个理论之间却有些东西很令人烦恼。它们不可能都是正确的，至少以目前的形式不可能如此，因为它们看起来相互矛盾。引力场的描述没有把量子力学考虑进来，没有解释场是量子场这一事实；量子力学的阐述没有考虑到由爱因斯坦的方程描述的时空弯曲。

一名大学生早上听了广义相对论的课，下午又学了量子力学，如果他得出结论说这些教授都是傻瓜，或者怀疑他们是不是至少有一个世纪没有交流过了，这是可以原谅的。不然为什么早上世界还是弯曲的时空，一切都是连续的；到了下午，世界就变成了不连续的能量量子跃迁和相互作用于其中的平直空间？

悖论就在于这两个理论都非常好用。

在每一个实验与检验中，大自然都一直在对广义相对论说“你是正确的”，也不停地对量子力学说“你是对的”，尽管这两个理论的基础是看似截然相反的假设。很明显，有些东西还未被我们发现。

在绝大部分情形下我们可以忽略量子力学或广义相对论（或者二者都忽略）。月亮太大了，根本不会受到微小的量子分立性的影响，因此描述其运动时我们可以忽略这一点。另一方面，原子太轻了，不可能把空间弯曲到不可忽略的程度，因此在描述原子时我们可以忽略空间的弯曲。但在有些情形中，空间的弯曲和量子的分立性都有影响，对于这些情形我们还没有一个已经确立的物理理论。

黑洞的内部就是一个例子，另一个例子是大爆炸时宇宙发生了什么。用更通俗的话来说，我们不清楚在非常微小的尺度上时间与空间如何运作。在这些情况下，如今的理论让人困惑，因为它无法告诉我们任何合理的东西。量子力学无法处理时空的弯曲，广义相对论无法解释量子。这就是量子引力的问题。

这一问题可以更深入。爱因斯坦明白，空间和时间是一种物理场即引力场的表现形式。玻尔、海森堡和狄拉克很清楚，物理场具有量子特性：分立性、概率性、通过相互作用显现。由此可见，空间与时间一定也是具有这些奇特属性的量子实体。

那么量子空间是什么呢？量子时间又是什么呢？这就是被我们称为量子引力的问题。五大洲的物理学家们都在努力解决这一难题。他们的目标是找到一个理论，也就是一系列方程——来解决目前量子与引力之间的不相容。

这并不是物理学第一次遇上两个非常成功但又明显矛盾的理论。过去人们为了整合理论所做的努力已经得到了回报，我们对世界的理解取得了巨大飞跃。牛顿结合了描述地球上物体运动的伽利略物理学和天体运动的开普勒物理学，发现了万有引力。麦克斯韦和法拉第把电和磁的内容放到一起，找到了电磁场方程。爱因斯坦建立了狭义相对论来解决牛顿力学和麦克斯韦电磁场之间的显著矛盾，又创立了广义相对论来解决牛顿力学和狭义相对论之间的冲突。

理论物理学家发现这一类型的矛盾后只会兴奋不已：这是个绝佳的机遇。可问题是，我们能够建立一个概念框架，来兼容上述两种理论吗？

要理解量子空间和量子时间是什么，我们需要再一次深入修正我们感知事物的方式，需要重新思考理解世界的基本原理。就像阿那克西曼德那样，领悟到地球在太空中飞行，“上”和“下”在宇宙中并不存在；或是像哥白尼那样，明白了我们正以极大的速度在天上运动；抑或是如爱因斯坦，理解了时空像软体动物一样被挤压，时间在不同地方的流逝不同……在寻找一种与我们的已知相容的世界观时，我们关于实在本性的观点需要再次改变。

第一个意识到我们的概念基础必须转变才能理解量子引力的是一位浪漫又传奇的人物：马特维·布朗斯坦（Matvei Bronstein），一个生活在斯大林时代、最终悲惨离世的年轻俄罗斯人。