量子空间

这既是一本关于圈量子引力的科普读物。对于不熟悉这个名词的大众来说，这是一本从另一个角度为我们讲述的“万物理论”。

人类一直追求万物起源这一问题，希望了解万物是从哪儿来的，基本规律是什么。直到今天，这个问题都还是物理学的根本，也是物理学的基础问题。

时至今日，在很多人的印象中，人类已经回答了这个问题。我们有基本粒子的“标准模型”，有牛顿的万有引力理论，还有爱因斯坦的广义相对论，这些已经把我们的世界解释得清清楚楚，很让人满意了。但实际上不是这样的。在标准模型提出40年后的今天，没有一个物理学家认为标准模型是基本理论，大家都认为它只是一个近似的有效理论。

圈量子理论是除了弦论之外万物理论的另一个候选，相对小众，在学界受到的关注不及弦论，在大众层面更是较少为人所知，实际上有些非常有趣的理论，值得向公众介绍。

作者吉姆·巴戈特称之为“少有人走的路”，在本书中，他介绍了圈量子引力理论领域中两位杰出的科学家——李·斯莫林（Lee Smolin）和卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）的职业生涯和开创性工作。这是一本关于物理学理论前言的普及读物，更是一场引领普通人推翻既定印象，领略对世界的另一种可能的解释的探索之旅。

在这本书中，物质、时间、空间都有了全新的理解可能。而认识的过程，就是科学探索的意义，是我们探索世界的趣味所在。

作者从事科普写作已有二十多年，文笔和叙述都尽量做到科普化，注重对科学知识做出平易近人的解释，同时为写作加入故事性，保证了本书的可读性。

吉姆·巴戈特Jim Baggott，英国科学史作家。牛津大学化学物理学博士。著作有《希格斯：上帝粒子的提出与发现》《量子往事》等。常有作品刊登于《新科学人》《自然》等重要科学刊物。

序言

缩略语列表

前言 理解大自然的奥秘，无法抗拒的诱惑

部分 基础

第1章 物理学定律面前人人平等

第2章 引力不是力

第3章 为什么没有人理解量子力学

第4章 重新定义质量

第5章 创造宇宙的方程式

第二部分 形式

第6章 要去那里，我就不会从这里出发

第7章 魔鬼祖母的礼物

第8章 猜出精确的解

第9章 我用光了维罗纳所有的钥匙环

第10章 时间真的一去不复返吗

第三部分 细化

第11章 引力子、全息物理学，以及为什么物体会下落

第12章 费米子、演生粒子，以及物质的本质

第13章 为什么“这里”会变成“那里”

第14章 如果宇宙并非起源于大爆炸

第15章 黑洞熵、信息悖论与普朗克星

第16章 接近边缘——时间的本质与开放未来原理

后记 就像两个被捆在一起的登山者

词汇表

注释

参考文献

图片来源

这既是一本关于圈量子引力的科普读物。对于不熟悉这个名词的大众来说，这是一本从另一个角度为我们讲述的“万物理论”。

人类一直追求万物起源这一问题，希望了解万物是从哪儿来的，基本规律是什么。直到今天，这个问题都还是物理学的根本，也是物理学的基础问题。

时至今日，在很多人的印象中，人类已经回答了这个问题。我们有基本粒子的“标准模型”，有牛顿的万有引力理论，还有爱因斯坦的广义相对论，这些已经把我们的世界解释得清清楚楚，很让人满意了。但实际上不是这样的。在标准模型提出40年后的今天，没有一个物理学家认为标准模型是基本理论，大家都认为它只是一个近似的有效理论。

圈量子理论是除了弦论之外万物理论的另一个候选，相对小众，在学界受到的关注不及弦论，在大众层面更是较少为人所知，实际上有些非常有趣的理论，值得向公众介绍。

作者吉姆·巴戈特称之为“少有人走的路”，在本书中，他介绍了圈量子引力理论领域中两位杰出的科学家——李·斯莫林（Lee Smolin）和卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）的职业生涯和开创性工作。这是一本关于物理学理论前言的普及读物，更是一场引领普通人推翻既定印象，领略对世界的另一种可能的解释的探索之旅。

在这本书中，物质、时间、空间都有了全新的理解可能。而认识的过程，就是科学探索的意义，是我们探索世界的趣味所在。

作者从事科普写作已有二十多年，文笔和叙述都尽量做到科普化，注重对科学知识做出平易近人的解释，同时为写作加入故事性，保证了本书的可读性。

吉姆·巴戈特Jim Baggott，英国科学史作家。牛津大学化学物理学博士。著作有《希格斯：上帝粒子的提出与发现》《量子往事》等。常有作品刊登于《新科学人》《自然》等重要科学刊物。

让我们直奔主题吧：这是一本关于圈量子引力（loop quantum gravity）的书。圈量子引力是当代物理学家尝试发展量子引力理论的方法之一，它触及我们对空间、时间以及物理宇宙的了解的极限。有人希望前沿科学总能写成科普书籍供大众读者消遣，但我要先声明一件事：圈量子引力同所有其他量子引力理论一样，没有得到任何观测或实验证据的支持。1

你可能会问我，那你凭什么觉得读者会对这样的理论感兴趣呢？

理由如下。毋庸置疑，在21世纪的开头几十年，我们面临着很多巨大的经济、政治与环境难题，有些还极其顽固，难以处理。但在我们理解时间与空间的本质、理解物理实在的内部构造方面，量子引力理论是我们这个时代的科学难题。2它讨论的是关于存在本质的“大问题”。解决这个问题不仅需要深厚的科学专业知识，也需要洞察力与灵感出现的独特瞬间，还需要整个物理学史上的人物都无法超越的智力创造性。

原因很简单。如今，我们很幸运，我们拥有两大极其成功的物理学理论。个是阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论，它描述了弯曲时空中物质的大尺度行为，告诉我们引力的工作机制：物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何移动。这一理论是如今大爆炸宇宙学标准模型的基础，我们用它描述宇宙的演化：从初的“开端”（根据如今的证据，大概在138亿年前）到今天。支持该理论的证据有很多，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）以及意大利的室女座引力波天文台（Virgo）探测到的引力波，只是众多证据中近的一项。

第二个极其成功的理论就是量子力学。量子力学描述了小尺度——分子、原子、亚原子、亚核粒子尺度的物质与辐射的性质和行为。在量子场论的外衣之下，量子力学的基础是粒子物理标准模型。整个宇宙中可见的组成部分（包括恒星、行星以及我们自身）都是由基础模型中的夸克、电子，以及传递力的光子等粒子结合在一起组成的。标准模型也告诉我们大自然的其他三种力——电磁力、强相互作用力和弱相互作用力是如何作用的。位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）发现了希格斯玻色子，这是支持量子力学的众多证据中近的一项。

然而，尽管这两个理论都是极为成功的伟大的智力创造，这两个标准模型也充满了漏洞。有很多现象不能用这两个理论解释，也有很多问题是它们无法回答的。它们的成功似乎只带来了一个结果，就是让我们的宇宙变得更为神秘难解，甚至完全匪夷所思。似乎我们了解得越多，理解得就越少。

这两个理论在根本上是不相容的。在艾萨克·牛顿的经典力学中，物质的存在与事情的发生都在一个空间与时间的“容器”中，这个“容器”作为背景而存在。如果我们把牛顿宇宙中的一切事物都拿掉，理论上还应该留下一个空的容器。广义相对论则把这个容器拿掉了：在爱因斯坦的宇宙中，空间和时间是相对的，不是的，而理论则是“背景无关”的。时空是动态的，它之所以存在，是因为它是物质与能量之间物理相互作用的结果。

量子力学虽然有些地方看起来极为奇怪，但其至今提出的一切预言都已被验证。它的表述方式不同于广义相对论：与物质和辐射的基本粒子相关的相互作用，都被假设发生在一个时空的容器之中——正是广义相对论所消灭的那个容器。也就是说，量子力学是背景相关的。

总结一下，我们有一个背景无关的经典（非量子）的时空理论，又有一个背景相关的关于物质和辐射的量子理论。我们成功的两大物理学理论建立于不相容的时空观上，它们有着不同的结构：广义相对论的时空是在物理学定律的基础上与之共同产生的，而量子力学的时空则是事先预设的、的。

虽然有这么两套互不相容的描述，但据我们所知（以及所能证明），我们的宇宙只有一个。广义相对论和量子理论的不相容性之所以是个问题，就是因为我们相信宇宙在诞生初期（大爆炸之时）处于量子尺度，自然应该能被量子力学解释。也许你觉得我们无法解释宇宙的起源以及其极早期的状态也没什么，但鉴于物理学在近百年里取得了如此辉煌的成就，我们理当对它有更高的期望。我们需要一个量子引力理论。

看到这里，你开始感兴趣了吗？