弦论后的物理学

在前面两章我们看到，有理由期待我们对自然律的追寻将取得巨大进步。令人惊奇的实验发现已经拓展了相对论，它本身就为正在进行的实验提供了预言。不管双狭义相对论正确与否，它是真正的科学，因为正在进行的实验可以证明也可以否定它的主要预言。

理论家和实验家们（他们的工作在前两章讲过了）已经开辟了基础物理学的后弦论时代。在这一章，我将带领大家游历这个新世界，见识最有希望的思想和发展。在弦论以外，我们看到，通过对基本问题的艰苦而执著的思索，通过数学和物理学的同步发展，很多传统方法的基础物理学复苏了。在所有的前沿领域——量子引力、量子物理学的基础、基本粒子物理学和宇宙学，大胆的新思想接二连三地随着迷人的新实验产生出来。这些思想的萌芽一定会茁壮成长起来的，否则它们早就夭折了；它们展现了美好的前景。

我们先说一个正在进步的领域：一种量子引力方法，它没有逃避爱因斯坦的伟大发现，而是继承了它——即时空几何是动力学的、偶然的。

我曾多次强调，用空间摆动的弦来构造一个包含引力子的理论是不够的。我们需要一个关于空间由什么构成的理论，一个独立于背景的理论。前面讲过，广义相对论的成功说明空间几何不是固定的；它是动力学的，随时间演化的。这是不容颠倒的基本发现，任何未来的理论都必须包容它。弦理论没有，所以，如果弦理论成立，那么它的背后一定还有更基本的理论——一个背景独立的理论。换句话说，不论弦理论是否成立，我们都需要去寻求一个背景独立的量子引力理论。

幸运的是，通过最近20年的研究，我们对如何构造那样的理论有了很多认识。背景独立的量子引力方法研究是从1986年开始的，那时第一次弦理论革命刚过去两年。催化剂是印度理论物理学家阿什特卡（Abhay Ashtekar，当时在锡拉丘兹大学）发表的文章。他重构了广义相对论，使方程更加简洁。102有趣的是，他把爱因斯坦的理论表达成接近规范理论的形式，而规范理论是粒子物理学标准模型的基础。

不幸的是，多数弦理论家并没注意过去20年在量子引力领域的这些进步，所以两个领域是独立发展的。外行人看这种互不往来的状况也许觉得奇怪。在我看来也很奇怪，所以我才想尽力去扭转它，向每个阵营宣传对方的长处。但我不能说取得了多大成绩。我之所以认为物理学正在危机中，部分原因就是我没能让用不同观点研究同样问题的人相互沟通——我也努力在思考如何改变这种局面。

量子引力领域的整个氛围都不同于弦理论。它没有宏大的理论，也没有时尚和潮流，只有几个很好的人辛勤地思考着几个密切相关的思想。我们有不同的研究方向，但也有某些统一的思想将这个领域连成一个和谐的整体。

主要的统一思想说起来很简单：不要从空间或任何在空间运动的东西开始。从纯粹的量子力学的而且具有纯量子结构的东西（而不是空间）开始。假如理论是正确的，那么空间会自然出现，代表那种结构的一般性质——犹如温度的出现代表原子的运动。

于是，很多量子引力理论家相信存在一个更深层的实在，那里不存在空间（这是背景独立性的逻辑极端）。因为弦理论需要背景独立理论的存在才有意义，许多弦理论家也表示他们认同这一点。在一定的意义上，如果强形式的马尔德希纳猜想（见第九章）是正确的，那么会从固定的三维几何里生出一个九维几何。难怪我们听威藤说，“借凝聚态物理学的名词来说，多数弦理论家猜测时空是一种‘突现现象’。”（他最近在圣巴巴拉加州大学卡夫利理论物理研究所的一次讲话。）103

终于有弦理论家开始欣赏这个观点了，我们就等着他们去研究已经获得的具体结果，继续前进。但在量子引力的大多数人的心里其实装着比马尔德希纳猜想更激烈的东西。

我们的出发点与几何毫不相干。量子引力学者们说空间是突现的，意思是空间连续体是一种幻觉。正如水面和丝绸的光滑隐藏了物质由离散的原子构成的事实，我们猜想空间的光滑也不是真实的，空间是作为某种基本材料（我们可以计数的）构成的某种东西的近似而突现出来的。在有的方法中，干脆假定空间是离散的“原子”组成的；在另一些方法中，这种假定是通过结合广义相对论与量子理论而严格推导出来的。

另一个统一的思想在于因果性的重要。在经典广义相对论中，时空几何决定了光线如何传播。因为没有比光更快的东西，一旦知道了光的传播，就能决定某个特殊事件引发了哪个事件。对两个发生的事件，只有当一个粒子以光速或更低的速度从甲传播到乙，我们才能说甲是乙的原因。因此，时空几何包含了一个事件引发另一个事件的信息。这就是时空的因果结构。

并不只是时空几何决定因果关系，也可以反过来：因果关系能决定时空几何，因为只要知道了光线如何传播，决定时空几何所需要的多数信息也就确定下来了。

空间或时空从某种更基本的东西突现出来，说起来很容易，但要发展这个思想，真正将它实现，却是非常困难的。实际上，以前尝试过的几种方法都失败了。我们现在明白，它们的失败是因为忽略了因果性在时空中的作用。如今，我们多数做量子引力的人相信，因果性本身才是基本的——即使在空间概念消失的地方它也有意义。104

目前最成功的量子引力方法结合了三个基本思想：空间是突现的，空间的最基本的描述是离散的，这些描述都以因果性为基本要素。

当前的量子引力研究在某些方面很像100年前的物理学，那时人们相信原子，但不知道原子结构的细节。尽管不知道细节，玻尔兹曼、爱因斯坦等人还是仅凭物质由原子构成的事实认识了很多关于物质的东西。他们只知道原子的近似大小，却能预言可以观测的效应。同样，我们根据基于三个原则（突现、离散、因果）的简单模型，也能导出一些重要结果。在不知道细节的情况下，这些模型对空间的离散单位做了最简单的可能假定，然后看它们能产生什么东西。其中最成功的模型是罗尔（Renate Loll）和安比约恩（Jan Ambj★m）构建的，叫因果动力学三角化。105这个名字也许太专业，而方法的思想却非常简单，就是用简单的构建材料来代表因果过程，看起来就像小孩子玩儿积木（图15-1）。也许该称它为富勒（Buckminster Fuller）方法。106基本思想是，时空几何由大量基本元素构成，每个元素代表一个简单的因果过程。这些元素如何堆砌，由几个简单的法则决定；每一个这样的量子时空模型的量子力学几率，则由一个简单的公式来计算。

图15-1　根据因果动力三角化纲领构想的模型量子宇宙。本图描绘了具有三个空间维（其中一维是水平的）和一个时间维（垂直方向）的模型量子宇宙的演化历史（蒙Renate Loll同意）

罗尔和安比约恩设定的一个法则是，每个量子时空都必须看作一个前后相接的可能空间的序列，犹如世界时钟的一个个瞬间。时间坐标是任意的，与广义相对论的一样；但不同的是，世界的历史不能再看作是一个在时间上前后相接的几何序列。

在这个限制下，再加几个简单法则，他们就得到重要的证据，说明经典时空（三维空间连同一维时间）从简单的积木游戏中突现出来了。如果说在背景独立的量子引力理论中，三个空间维的经典时空可以从仅基于离散性和因果性的纯量子世界突现出来，那么这至今还是最好的证据。特别是，安比约恩等人证明，如果不加关于因果性的约束，就不会有经典时空几何的出现。

因为这些结果，过去人们广泛相信的一些量子引力思想现在看来其实是错误的。例如，霍金等人常说因果结果是非基本的，在量子引力的计算中，可以忽略时间与空间的差别——即使在相对论中，这种区别也是存在的——而仅将时间看作另一维的空间。霍金在他的《时间简史》中所谓的神秘的“虚”时间就是这个意思。安比约恩和罗尔的结果表明这种想法是错误的。

在他们的工作之前，已经有人考察过时空的基本构成元素包含着因果性思想，但没想到经典时空可以突现出来的理论。有一种叫因果集合理论的形式，认为时空的基本单元都是裸事件，都可以归结为一系列引发它们和它们能引发的其他事件。这些思想比罗尔和安比约恩的模型还要简单，因为它们不需要整体的时间序列。现在还不可能让经典时空从这个理论突现出来。

不过，因果集合理论也有一个主要成果，那就是它似乎解决了宇宙学常数问题。锡拉丘兹大学的物理学家索金（Rafael D.Sorkin）和他的合作者们，通过简单假定经典世界来自因果集合理论，就预言宇宙学常数大致与观测的结果一样小。据我所知，这是迄今对宇宙学常数问题的唯一明确的解答。这个解本身已经够吸引人了，何况理论的假定又是那么简洁，它当然成为一个值得继续探索的研究纲领。

英国数学物理学家彭罗斯（Roger Penrose）也提出一种量子时空方法，它所依赖的基本原理就是因果关系是真正基本的东西。他的方法叫扭量理论，他和几个追随者从20世纪60年代起就在做了。它的基础是将传统的观察时空事件的方法颠倒过来。人们总是习惯将发生的事件看成基本的，而将事件之间的关系看成第二位的。因此，事件是真实的而事件之间的因果关系不过是事件的属性。彭罗斯发现这种观察事物的方法可以颠倒过来。你可以将基础的因果过程作为基本的，然后用因果过程之间的重合来定义事件。更具体地说，你可以接着将所有物理移到光线的空间里。其结果是美妙无比的结构，彭罗斯称它为扭量空间。

扭量理论在彭罗斯提出的前20年里发展很快。许多物理学基本方程都能以令人惊讶的美妙的方式改写成扭量空间的形式。仿佛你真的可以把光线看作最基本的东西，而空间和时间不过是它们之间的某种关系。它也为统一带来了进步，因为描述不同粒子的方程在扭量空间里都有同样简单的形式。扭量理论部分实现了时空可以从其他结构中突现出来的思想。我们时空的事件不过是悬浮在扭量空间的一些特殊的曲面；我们时空的几何也可以从扭量空间的结构中突现出来。

但这幅图景存在着问题。主要问题在于，扭量空间只有在没有量子理论的时候才能理解。虽然扭量空间与时空有很大区别，但它仍然是光滑的几何结构。还没人知道量子扭量空间像什么样子。量子扭量理论是不是有意义，时空是不是能从它突现出来，目前都还是未知的。

扭量理论在20世纪70年代的中心是牛津，我和很多人一样，也曾被吸引到那儿去度过一段时光。我感觉那儿的氛围很令人振奋，不像后来在弦理论中心形成的那种氛围。彭罗斯令人敬慕，后来的威藤也成了那样的人。我遇到过一些天才卓绝的年轻物理学家和数学家，他们都深信扭量理论。有几个已经成了杰出的数学家。

扭量理论当然给数学带来了重要进展。它使我们更深入理解了几个重要的物理学问题，包括杨-米尔斯理论的主要方程，那是粒子物理学标准模型的基础。扭量理论也让我们更好地认识了爱因斯坦广义相对论的某些解。这些认识充分表现在几个不同的发展，包括圈量子引力。

但扭量理论尚未成为可行的量子引力方法——主要因为它没有办法包容广义相对论。但彭罗斯和几个同事仍然没有放弃。威藤领导的几个弦理论家最近也开始做那方面的工作，为扭量空间带来了一些新的方法，进展很快。这个方法似乎不能帮助扭量理论演进为引力的量子理论，但它正在变革规范理论的研究——如果需要什么证据，这正好说明我们不应该那么长久地忽略扭量理论。

彭罗斯并不是唯一为自己创造量子引力方法的一流数学家。也许最伟大的——当然也是最有趣的——健在的数学家是阿兰·康尼斯（Alain Connes），他是马赛的一个警察的儿子，大半生都在巴黎。我喜欢和阿兰谈话。有时我不明白他说什么，但他深刻的思想和绝妙的笑话令我快乐无限。（那些笑话经常是少儿不宜的，尽管有时说的是黑洞或讨厌的卡丘流形。）有一次，他在一个会上讲量子宇宙学，要我们每次听到宇宙一词时都站起来，以表示尊敬，引得哄堂大笑。不过，虽然我不能总是理解阿兰，他却总能理解我。他属于那种思维敏捷的人，知道你想什么，当然也能更好地说出你想说的话。尽管他和他的思想都那么自在轻松，却一点儿也不爱争斗，对别人的思想总是怀着真诚的好奇。

阿兰的量子引力方法要回到基础，发明一种能完美统一几何的数学结构与量子引力的新数学。这种数学我在第十四章提起过，叫非对易几何。“非对易”指量子理论的量由不能对易的对象来代表，即AB不等于BA。量子理论的这种非对易性密切关联着这样一个事实：不能同时测量一个粒子的位置和动量。当两个量不对易时，就不能同时知道它们的数值。现在，这似乎与几何的本质相矛盾，因为几何就是从曲面的直观图像出发的。而形成直观图像就意味着需要完整的定义和完全的知识。要把几何那样的东西建立在不能同时知道的事物基础上，其实是很重大的一步。它的诱人之处就在于它在使自身成为物理学下一步的恰当数学的同时，也以新的方式统一了几个不同的数学领域。

非对易几何出现在几种不同的量子引力方法中，包括弦理论、DSR和圈量子引力。但这些理论没有一个深层把握了康尼斯原先的概念，他和几个数学家（多数是法国的）还在继续发展着。107它出现在其他纲领中的不同形式都是从概念的表面出发，例如将空间和时间的坐标变成不对易的量。康尼斯的思想要深刻得多；它在根本上统一了代数和几何。只有像他那样，既探索数学又创造性、战略性地思考数学知识结构及其未来的人，才可能创造那样的思想。

和老的扭量理论家一样，康尼斯的追随者也是忠心耿耿的。宾州大学要举办一个关于不同量子引力方法的会议，阿兰举荐了一位年长的法国著名数学家，叫卡斯特勒（Daniel Kastler）。会前一个星期，这位先生骑车摔断了腿，但他爬出了医院，独自到了马赛机场，正好赶在开幕时到达会场，他宣称，“有一个真阿兰，我是他的信使。”看来，并不只是弦理论家才有真正的追随者，非对易几何学者也有，而且更幽默。

非对易几何的一个成功是它直接引出了粒子物理学的标准模型。正如阿兰和他的同事们所发现的，当你将麦克斯韦电磁学写成最简单的非对易几何形式时，统一电磁力与弱核力的温伯格-萨拉姆模型将自然出现。换句话说，弱相互作用连同希格斯场都将自动而正确地显现出来。

回想一下我们在第二章说的，判断一个统一是否成功，就看它是否能立刻表现与自然的一致。康尼斯的简单思想出现了正确的弱力与电磁力的统一，这是很诱人的结果。弦理论本该出现这样的东西，可惜没有。

还有一套方法也是关注经典时空和粒子物理学如何从基本的离散结构产生出来。这些是凝聚态物理学家们创立的模型，如斯坦福大学的劳克林，赫尔辛基技术大学的沃洛维克和MIT的文小刚。最近，这些方法被年轻的量子引力学者们采纳了，如德雷尔。这些模型是粗糙的，但也的确说明狭义相对论的某些特征（如速度的普适上限）可以从一定的离散的量子系统突现出来。沃洛维克和德雷尔煽动性地宣扬说，宇宙学常数问题解决了——因为它本来就不是问题。他们声称那种说它有问题的想法是错误的，那是因为太看重背景相关理论的结果。他们指出，这种错误源自人们将理论的变量割裂开来，将其中的一些作为固定背景，而将另一些作为量子场。108如果他们的意见在这一点上是对的，那将是多年以来从量子引力产生的最重要的结果。

我这里描述的所有方法都是背景独立的。有几个一开始就假定时空由离散元素构成。有一个做得更好，证明空间和时间的离散性是结合量子理论与狭义相对论的结果。这就是圈量子引力的成果。它的出发点是阿什特卡1986年对爱因斯坦广义相对论的革命性重构。我们发现，不需要添加任何东西，仅仅用一组新变量来改写爱因斯坦理论，就可以精确导出一个量子时空来。

圈量子引力的基本思想其实很老了，我们在第七章已经讨论过。它源自直接以场线来描述场（如电磁场）的思想。（之所以叫“圈”，是因为在没有物质的情况下，场线可以自我闭合形成圈。）这是涅尔森、波里亚柯夫和威尔逊的观点，也正是这种思想引出了弦理论。弦理论基本上就是这种直观图景在固定时空背景下发展起来的。圈量子引力是同样的思想，然而是在完全背景独立的理论中发展的。

这个思想成为可能，全赖阿什特卡的一个重大发现：广义相对论可以用规范场的语言来表述。这样，时空的度规成了电磁场一样的东西。当我们以量子力学方法处理对应的场线时，被迫不要背景，因为本来就没有——场线已经描述了空间的几何。一旦我们使它们成为量子力学的，就不会再留下经典的几何了。所以，为了摆脱背景度规，我们必须重新构建量子场论。长话短说，经过很多有着不同物理学和数学才能的人的努力，我们终于成功了。结果就是圈量子引力。

新图景很简单。量子几何是一种特殊的图（图152）。一个量子时空就是一个事件序列，其中的图在结构中因局部改变而演化。这最好用例子来说明，如图15-3。

这个理论带来了很多成功。它在以下三方面被证明是有限的：

图15-2　自旋网络——圈量子引力及其相关理论中的量子几何状态。节点和边界分别联系着体积和面积的量子

1.量子几何是有限的，从而面积和体积以离散单元形式出现。

2.计算量子几何演化为不同历史的几率时，结果总是有限的（至少在所谓巴勒特-克雷恩（Barrett-Crane）模型的特定形式下是有限的）。

3.当理论与物质理论（如粒子物理学标准模型）耦合时，通常出现的无限会成为有限。就是说，没有引力时，需需要强调的是，前面的陈述没有什么不确定性。圈量子引力的主要结果都经过了严格定理的证明。

图15-3　自旋网络通过一系列这些局部改变而随时间演化

要用一个特殊过程将无限的表达式独立出来，使其成为不可观察的；有引力时，根本就不存在无限的表达式。

圈量子引力从一开始就面临的最大挑战是需要解释经典时空是如何突现出来的。最近几年，由于有了新的近似计算方法，这个问题取得了重大进展。这些新的过程证明理论具有描述宇宙的量子态，其几何在很好的近似下是经典的。去年，马赛理论物理中心的罗维利（Carlo Rovelli）和他的同事们迈出了重要的一步，他们第一次证明圈量子引力预言了两个物体会以牛顿定律所决定的方式相互吸引。109这些结果也表明理论在低能量近似下有引力子，因此圈量子引力的确是一个引力理论。

人们如今正想着把圈量子引力用于现实世界的现象。它精确描述了黑洞视界，能得到正确的熵。这些结果与贝肯斯坦和霍金过去关于黑洞有熵和温度的预言（见第六章）是一致的。我写这些的时候，研究生和博士后们正在做的一个热点问题是修正霍金关于黑洞热力学的结果，假如能在未来的自然黑洞研究中观测到那些现象，那就能证实或证伪圈量子引力。

圈量子引力也是进一步研究黑洞内部随时间强烈变化的几何的基础。有几个计算表明，黑洞内的奇点是可以去除的。因此时间能在经典广义相对论预言的终结点外延续下去。它流向何方呢？似乎进入一个新生的时空区域。奇点就这样被我们所谓的时空反弹取代了。在反弹之前，黑洞内的物质在收缩，而反弹过后，它开始膨胀，进入一个以前不存在的新区域。这是非常令人满意的结果，它证明了德维特和惠勒以前的一个猜想。同样的技术还用于研究极早期宇宙发生的事情。理论家们也发现奇点同样被清除了，这意味着宇宙在大爆炸之前就存在了。

黑洞奇点的清除自然解决了霍金的黑洞信息疑难。如第六章说的，信息没有丢失，而是进入了新的时空区域。

根据圈量子引力对极早期宇宙的把握，我们可以为实际观测计算预言。圆周理论物理研究所的两个博士后霍夫曼（Stefan Hofmann）和温克勒（Oliver Winkler）最近导出了量子引力效应的精确预言，有可能在未来的宇宙微波背景观测中看到。110

理论家们还忙着预言奥格和GLAST实验会看到什么，这两个实验将说明狭义相对论是否在普朗克能量失败。背景独立方法的一大好处是能为这样的实验提出预言。惯性坐标系的相对性原理是将继续保留还是被打破？或者像DSR理论那样修正？我已经强调过，没有一个背景相关理论能对这些实验做出真正的预言，因为问题已经通过背景的选择来回答了。特别是，弦理论认为惯性系的相对性还是正确的，而且和爱因斯坦在狭义相对论中的原始形式一样。只有背景独立方法能预言狭义相对论的这个原理的命运，因为经典时空的性质是以动力学问题的解的形式出现的。

圈量子引力承诺能做出明确的预言。在空间只有二维的模型中，它已经做到了：它预言DSR是正确的。有迹象表明，同样的预言在我们的三维世界也成立，不过目前还没有可信的证明。

其他大问题又如何呢？例如粒子和力的统一？直到最近，我们还认为圈量子引力对量子引力以外的问题几乎无话可说。我们可以在理论中加入物质，而好的结果不会改变。如果需要，我们可以将整个粒子物理学的标准模型或其他任何我们想研究的粒子物理学模型加进来，但我们并不认为圈量子引力对统一问题有任何具体明确的贡献。最近我们意识到我们错了。圈量子引力已经有了基本粒子，最近的结果表明那恰好就是那个正确的粒子物理学：标准模型。

去年，马科普洛提出了一种新的方法来解决空间几何如何从更基本理论自然出现的问题。马科普洛是做量子引力的年轻物理学家，经常提出一些几乎不可能的思想，结果却是正确的，令我惊讶不已，这是她最好的一个结果。她不直接问量子时空的几何是否能以经典时空的形式出现，而是基于确认和研究粒子在量子几何中的运动，提出了一个不同的方法。她的想法是，粒子必须是量子几何的某种突现的激发态，它们像波穿过固体和液体那样穿过那种几何。然而，为了生成我们知道的物理学，这些突现的粒子只能作为纯量子粒子才能描述，而不管它们穿过的量子几何。111

通常情况下，如果粒子与环境相互作用，则粒子状态的信息会散失到环境中——我们说它脱散了。很难阻止脱散的发生；这也是量子计算机难做的原因，因为计算机的功效全赖粒子处于纯量子态。做量子计算机的人了解量子系统在什么时候（即使与环境接触）处于纯态。马科普洛在和那个领域的专家一起工作时，发现他们的认识也适用于说明量子粒子如何从量子时空生成。她指出这一点，是为了从量子引力理论得到预言，我们要做的只是识别那样的量子粒子，然后证明它像在寻常空间一样运动。在她的类比中，环境是动力学的、不断变化着的量子时空。量子粒子穿过它一定就像穿过固定的非动力学的背景一样。

不难说明许多背景独立的量子引力理论都有突现的满足马科普洛发现的那些条件的粒子。但那些粒子是什么呢？它们对应于我们见过的什么东西吗？

这个问题乍看起来很难，因为圈量子引力预言的量子几何非常复杂。粒子态联系着三维空间里的图。空间是背景，但除了本身的拓扑而外不具有其他性质；所有关于几何度量的信息——如长度、面积和体积——都来自那些图。但因为图必须画在空间，理论就有很多额外的信息包含在其中，而它们似乎与几何无关。这是因为图在三维空间里可以通过无限多种方式纽结、连接和缠绕。

图的纽结、连接和缠绕有什么意义呢？这个问题从1988年起就伴随着我们。我们一直不知道它们到底意味着什么。马科普洛的方法使我们更急迫想知道问题的答案。答案突然来了。

去年春，我偶然看到一个年轻的澳大利亚粒子物理学家的论文，他的名字令人难忘，叫比尔森-汤普森（Sundance O.Bilson-Thompson）。他在文章里展示了一根简单的丝带辫子，准确把握了我在第五章讲过的粒子物理学的前子模型的结构特征。（回想一下，这些模型假定所谓的前子为质子、中子和标准模型认定的其他基本粒子的基本构成。）在他的模型里，前子就是丝带，不同类型的前子对应于沿不同方向缠绕或未缠绕的丝带。三根丝带可以缠绕在一起，不同的缠绕方式正好对应于标准模型的不同粒子。112

我一看这篇论文，就发觉它是我们需要的思想，因为比尔森-汤普森研究的缠绕都会出现在圈量子引力中。这意味着在量子时空里图的不同纽结和缠绕方式必然是不同类型的基本粒子。所以，圈量子引力不但是关于量子时空的——它已经包含了基本粒子物理学。假如我们能发现在理论中运行的比尔森-汤普森游戏，它恰好就该是基本粒子物理学。我问过马科普洛，他的缠绕是否就是她的相干激发态。我们请比尔森-汤普森合作，经过几次失败的开始后，我们才明白这一点其实一直都是成立的。依靠几个小假定，我们发现了一个前子模型，描述了一大类量子引力理论中的最简单的类粒子态。113

结果引出了很多问题，回答它们是我当前的主要目标。它是否好到能为即将在CERN巨型重子对撞机（LHC）做的实验给出明确的预言，现在还说不准。但有一点是清楚的。弦理论不再是能统一基本粒子的量子引力的唯一方法。马科普洛的结果意味着许多背景独立的量子引力理论都包含着以突现状态存在的基本粒子。而个别理论，如圈量子引力，不会引出众多可能理论形成的景观。相反，它似乎导致唯一的理论，要么与实验一致，要么不一致。最重要的是，它使我们不必像苏斯金等人宣扬的那样（第十一章），需要求助人存原理来修正科学方法。传统方法做的科学正在前进着。

坦率地说，物理学的五个基本问题确实有着不同的解决方法。除了弦理论而外，基本物理学领域在几个方向上迅速进步，其中（不仅仅）包括因果动力三角化和圈量子引力。正如任何健全的科学领域一样，实验与数学之间存在着强烈的相互作用。虽然从事这些研究纲领的人（大约300个左右）不像弦理论那么多，还是有很多人在挑战科学前沿的基础问题。20世纪向前的几大步是更少的几个人迈出的。当科学要发生革命时，重要的是思想的质量，而不是信奉者的数量。

不过，我想说明的是，在这个新的后弦理论的氛围里，没有排斥弦理论研究本身的东西。正如我前面讲的，它所依赖的思想——场与弦的对偶性——同样也是圈量子引力的基础。将物理学带进当前危机的不是这个中心思想，而是它在背景相关的条件下的一种特殊的实现——就是那种条件，将它与一些危险的概念捆绑在一起了，如超对称和更高的空间维。不同的弦理论方法——更适应背景独立等基础性问题和量子引力的诸多问题的方法——竟然可以不是最终发展的一部分，这是没有理由的。但为了认识这一点，弦理论需要在开放的氛围下发展，将其作为若干思想之一，而不要预先对它最后的成功或失败抱任何假想。新物理学精神所不能忍受的是，不顾任何证据而假定某个思想一定会成功。

虽然量子引力理论家们都为今天的进步感到兴奋，他们还是强烈期待未来至少会带来几个惊喜。量子引力的人们不像两次超弦革命期间意气风发的弦理论家，他们很少相信自己已经将最终的理论把握在手了。我们意识到，量子引力的背景独立方法的成功是完成爱因斯坦革命必须迈出的一步。他们证明，可以找到一种和谐的统一量子理论和广义相对论的数学和概念的预言。这种预言是弦理论拿不出来的，凭着这个框架，我们可构建一个能全面解决我在第一章列举的五大问题的理论。但我们也很清楚，我们并没有胜券在握。即使有最近的成功，还没有哪个思想看起来像是真的。

我们重温物理学的历史，会看到一个突出的事情：当正确的理论最终被提出时，它会很快赢得胜利。少数真正的好的统一思想是以动人、简单和唯一的方式出现的，它们没有众多的选择和可以调节的特征。牛顿力学由三个简单定律确立；牛顿引力由一个带常数的公式决定。狭义相对论是一出现就完整的。完全建立量子力学经历了25年，但它从一开始就与实验同步发展着。自1900年以来，学科的许多关键论文要么解释最新的实验结果，要么为即将完成的实验做出明确的预言，广义相对论也是同样的情况。

因此，所有成功的理论都会产生实验结果，它们很简单，能在几年内得到检验。这并不意味着理论可以精确求解——多数理论都不可能。但它的确说明物理洞察直接导致了新物理效应的预言。

不管你想怎么说弦理论、圈量子引力和其他方法，它们都还没有达到那个前沿。通常的借口是说那个尺度的实验还无法实现——但我们已经看到，事情不是这样的。因此一定还有其他原因。我相信我们还缺失某个基本的东西，我们还在做着错误的假定。那样的话，我们就需要将错误的假定找出来，用新的思想来取代它。

那错误的假定会是什么呢？我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质。我们已经讨论过第一个；我发现，新的量子力学思想很可能最近已经在量子引力研究的驱动下提出来了。但我强烈感到关键问题还在于时间。我越来越觉得量子理论和广义相对论在深层上都把时间的本质弄错了。只结合它们是不够的。还有一个更深层的问题，也许要追溯到物理学的起源。

17世纪初，笛卡儿和伽利略做出了最奇异的发现：你可以画一张图，用一个轴做空间，另一个轴做时间。于是，穿过空间的运动成为图上的一条曲线（图15-4）。在这种方式下，时间仿佛成了另一维空间。运动被冻结了，匀速运动和变化的整个历史呈现在我们面前就像是静止不变的。硬要我猜想的话（猜想也是我谋生的手段），我想罪魁就在这儿。

我们需要寻求解冻时间的方法——不用将时间转化为空间来表示。我不知道该怎么做。我想象不出有什么数学可以不把世界表现为永久冻结的样子。表示时间非常困难，因而时间的表示很可能就是我们失去的一环。

有一点很清楚：在弦理论的约束下思考这种问题，是不可能有什么结果的。因为弦理论仅限于描述在固定背景的时空几何中运动的弦和膜，对那些想开辟新天地、考虑时间和量子理论本质的人，它是无话可说的。背景独立方法提供了一个更好的起点，因为它们已经超越了经典的空间和时间的图景。而且，它们很好定义，很容易把握。还有一点好处是，它所用的数学很接近有些数学家已经用于探索时间本质的数学——即所谓拓扑斯（topos）理论的逻辑方法。

图15-4　笛卡尔和伽利略以来，在时间中展开的过程被表现为以另一维代表时间的图中的一条曲线。时间的这种“空间化”很有用，但可能的问题是它代表了一个静止的、没有变化的世界——一个冻结的永恒的数学关系的集合

关于如何表示时间而不将其转化为空间的一维，我明白一点，那就是它也出现在其他领域，从理论生物学到计算机科学，甚至还有法学。为了激发新的思想，哲学家翁格尔（Roberto Mangabeira Unger）和我在圆周理论物理研究所组织了一个小规模的学术讨论会，把相关领域的思想家们都请来讨论时间问题。那两天是我这几年最兴奋的日子。114

关于这一点我不想多说了，因为我想接着讲一个不同的问题。假定有一个野心勃勃的年轻人，他有着创新的头脑和坚韧，想深入思考那五个大问题。看到我们在那些问题遭遇的彻底失败，我不能想象他那样的人会甘愿陷入眼下的那些研究纲领。显然，如果弦理论或圈量子引力本身就是答案，那我们现在就该知道了。它们也许是起点，也许是答案的部分，也许包含着必要的教训。但正确的理论必须包含新的元素，也许只有我们雄心勃勃的青年才有能力去寻找它们。

我们这一代为年轻的科学家们留下了什么呢？思想和方法，他们大概不想用了；还有不同方向的局部成功的故事，结果却是未能完成爱因斯坦百年前开创的事业。最坏的情形是，我们将他们拉回来，要求他们继承我们的思想。于是，本书最后部分的问题是我每天早晨都问自己的问题：我们是不是尽力支持和鼓励年轻科学家——也包括我们自己——要超越我们在过去30年做的事情，去追求真正能回答物理学五大问题的理论？