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量子重力 我们人类是会创造东西的物种。 因此，当我们发现某些东西看起来很美，结构很精巧时，几乎是本能下的反应，我们会问：“谁做的?”然而，如果我们准备以科学的方法去研究宇宙，第一个要学到的知识就是，这不是正确的问题。当然，宇宙既美妙，结构亦精巧，但它绝不是由存在于宇宙之外的东西所创造出来的。因为按照定义，宇宙是所有的一切，不可能有东西存在于宇宙之外；而且按定义，在宇宙之前也不能有任何东西的存在，因为如果有任何东西存在，它一定是宇宙的一部分。因此，宇宙学的第一原理就是：在宇宙之外空无一物。 这不是说我们要摒除宗教或神秘主义，因为那些追寻者总有灵思之源的余地。可是，如果我们要的是知识，如果我们要想知道宇宙是什么、它如何变成现在这般，我们必须先去解答关于我们张望四周所看到的物体的问题。而这些答案只牵涉到存在于宇宙之内的东西。 这个第一原理的意思是，我们按定义把宇宙看成一个闭合系统。这就是说，如果要解释宇宙中的任何东西，只能牵涉其他也存在于宇宙内的东西。这一点导致很重要的后果，在后面，我会不时地深思这些后果。重点之一是，对于宇宙内任何实体的定义或描述，只能提及宇宙内的其他物体。如果某物在某个位置，这个位置仅能以宇宙中其他相关物体来下定义。如果这个物体在运动，只能以它与宇宙内其他物体的相关位置变化，来描述这个运动。 空间物体间的关系 因此，空间若独立于世界中真实物体之间的关系之外，就没有意义。空间不是空的或者满载东西的舞台，可以让东西自由来去。如果空间与存在其内的东西分开，就什么都没有了。空间只是呈现了存在于其内的物体与物体之间的关系。 如此说来，空间有些像句子，“一个没有字的句子”这种说法是荒谬的。每一句子都有文法结构，这结构由存在于字与字之间的关系所定义。如果我们把所有的字都拿掉，剩下的不是一个空虚的句子，而是什么都没有了。再者，有许多不同的文法结构，提供单字的各种排列，以及单字之间的各种关系。没有一种纯粹的句型结构，可以独立于句中的单字与意义之外。 宇宙的几何结构很像句子的文法结构。 就像如果没有这些单字之间的关系，句子就没有结构，也不复存在一样；如果没有宇宙中物体与物体之间的关系，空间也不存在。如果你把一个句子内的字改了或拿掉一些，或者改变它们的顺序，句子的文法结构也就改变了；同样的，当宇宙内物体与物体之间的关系改变时，空间的几何结构也会随之改变。 我们现在的了解是，“空无一物的宇宙”的说法是荒谬的， 就如同说“一个没有单字的句子”一样荒谬。甚至，“只有一个物体的空间”这样的说法更为荒谬，因为在这种情形下，没有可以定义这个物体在哪里的关系存在。在这里，句子的比喻就不灵了，因为的确有“只含一个单字的句子”。可是，这种句子的意义通常来自它们与相邻句子之间的关系。 空间并非绝对 空间可以独立存在，而不需要任何关系，这样的观点称为绝对观点。这是牛顿的观点， 但证实爱因斯坦广义相对论的实验，已经断然否决了这个观点。否定绝对观点有基础的含意，需要好好地想一下才能习惯。不幸的是，还是有不少优秀的专业物理家在思考这世界时，仍然认为时间与空间有绝对的意义。 当然，空间的几何结构似乎没有受到运动中的物体的影响：当我从房间的一端走到另一端时，房间的几何结构好像没有什么改变；在我穿过房间到对面后，空间似乎仍然遵循我们在学校中学到的欧氏几何，与我开始移动之前一样。如果欧氏几何不是这么逼近我们看到的四周，牛顿绝没有机会发展他的理论。 可是表面上看来，空间符合欧氏几何，就和地球看起来是平坦的这种幻觉一样。只有当我们看不到地平线时，地球才会看起来是平的。当我们眺望得够远时，譬如从飞机向外望去，或凝视海面，我们可以很容易地发现，地球不是平的。同样的，你所在的房间的几何结构似乎遵从欧氏几何的规则，是因为它偏离这些规则的幅度极小。但如果你可以做极精密的量度，会发现你房间中三角形的三角和不刚好是180度；而且，这些角度的总和依三角形与房间中其他对象的关系而定。如果你可以量度得非常精准，你将发现房间中所有三角形的几何结构，都会因为你从房间的一边走到另一边而改变。 或许每一门科学都有一个主题可以教导人类，并帮助我们了解关于“我们是谁”以及“我们在这里做什么”。生物学的教诲是天择，具代表性的阐述者道金斯及马古利斯教会我们这个观念。我相信，相对论与量子论主要的教诲是，这世界仅是不断演化的关系网络。我的口才没有好到可以变成相对论的道金斯与马古利斯，可是我的确希望在读完这本书之后，你会了解到这个空间与时间的关系图，就像天择一样具有根本的意义；非但对科学而言，对于“我们是谁”，以及“我们如何存在于这个不断演化的关系宇宙中”这两个问题，也是一样的。 达尔文告诉我们；我们的存在不是必然的， 宇宙中没有必须让我们存在的永恒体制。我们是更为复杂的、不可预测的过程的成果，这些过程远比我们的生活与社会中少数能控制的事物还要复杂。这世界原是一个不断演化的关系网络，这个认识也告诉我们，所有的事物多多少少都一样。对宇宙而言，没有永恒不变的体制，可以决定什么可以存在，什么不可以存在。除了我们可以看到的东西之外，世界没有其他的东西了；世界除了自己特有的历史之外，没有其他的背景。 这个空间的“关系性”观点已经存在了一段相当长的时间。18世纪初叶，哲学家莱布尼兹强力争辩牛顿的物理有致命的错误，因为它奠基于空间与时间的绝对观点，这个观念不完全符合逻辑。其他的哲学家及科学家，如19世纪末在维也纳工作的马赫， 都是这个理念的拥护者。爱因斯坦的广义相对论也是直接源自这些观点。 在爱因斯坦的广义相对论中，令人困惑的是这一理论可以描述不含有物质的宇宙，却没有出现矛盾。这可能让人们认为广义相对论不是关系性的，因为有空间而无物质，也就没有用物质之间的关系来定义空间。但这种看法是错的，错在把定义空间的关系看成一定是物质粒子之间的关系。自19世纪中叶起，我们已经知道世界不只由粒子组成。塑造20世纪物理学的一个相异观点主张，世界也是由场组成的。场是在空间中连续变化的量，如电场或磁场。 电场往往被看成力线的网络，环绕产生电场的物体。因为每一点都有一条力线经过，就产生了场(和等高线图一样，场线图中只有特定间隔的线才会画出来)。如果我们把带电粒子放在这个场内的任何一点，粒子都会感受到 一股力，推着它沿着经过这一点的场线前进。
广义相对论是场的理论。牵涉到的场称为重力场，要比电场更为复杂，可以想成是一套更为复杂的场线。重力场需要三组场线，我们可以把它们想象成不同颜色的线，比如是红色、蓝色及绿色的线。因为有三组场线，重力场定出的关系的网络，与这三组线如何互相连接有关。举例来说，我们可以用其中一种线与另一种线扭结的次数，来描述这些关系。 事实上，这些关系就是重力场的所有一切。两组以同样方式形成链环与扭结的场线，定义了同样的一组关系，也就是物理状态完全相同。这就是为什么我们称广义相对论为关系性的理论。空间中的点本身不存在，当我们以这三组场线之间的关系网络中的特性来说明这个点，它才具有意义。 这就是广义相对论与其他理论(如电磁学)最重要的差别。电场理论假设，“点”是有意义的，“通过特定一点的场线方向为何”是有意义的问题。因此，如果两组场线不同，只在于其中一组向左移了1米，我们会认为这两组场线描述的是不同的物理状态。应用广义相对论的物理学家必须用相反的方式研究，他们不能谈到“点”，除非他们列举许多场线的特性来区别出这个点。广义相对论所谈到的，都是场线之间的关系。 或许会有人问，为什么我们不先固定场线的网络，然后以所有东西与这个场线网络的关系，为所有东西下定义?原因是，这个关系的网络会随时间而演化。除了一些与现实世界毫不相关的理想化的例子以外，在相对论描述的所有世界中，场线网络都在不断变化。 时间也不绝对
到目前为止，我们已经谈到够多关于空间的事了。我们现在转向时间，同样的认识也用得上。在牛顿的理论中，假定时间有绝对的意义。时间会流动，从无穷远的过去流向无穷远的未来，和真正发生的事情毫无关系。虽然变化是以时间的单位来量度的，可是牛顿的理论假定时间有自己的意义及存在，这个存在超越宇宙中任何特别的变化过程。 在20世纪，我们证明了这种对于时间的观点是错的，就如牛顿对于绝对空间的观点是错的一样。我们现在知道时间也没有绝对的意义，时间与变化不能分开；改变中的关系网络之外，不会有时钟这种东西。因此，我们不能问这样的问题：在绝对的意义上，某事变化得有多快；我们只能拿其他过程的变化率与某事变化的快慢相比。空间可以用关系的网络来描述，而时间只能以这个关系网络中的变化来描述。 这就是说，在广义相对论中，“没有任何事发生的宇宙”是荒谬的说法。
时间仅是量度变化的东西，没有其他的意义。宇宙是由不断演化的关系所构成的系统，空间及时间都不能存在于这个系统之外。物理学家称广义相对论的这个特性为“背景独立”，这是指没有会被永远固定的背景或舞台。相对的，像牛顿力学或电磁学这种理论称为“背景相依”，因为它们假设有固定不变的背景，这个背景为所有关于“何处”和“何时”的这些问题，提供最终的答案。 为什么要费这么多时间建立量子重力理论?
其中一个原因是，以前所有的量子论都是背景相依。要创建背景独立的量子论非常具挑战性：在这个量子论中不能提到“点”，除非“点”已经由关系网络阐明。在世界的量子论中，空间及时间仅是关系网络。这个问题在20世纪的最后15年中才获得解决。这个理论称为循环量子重力，就是我们提到的三条大道之一。之后，我会叙述循环量子重力教了我们些什么。在那之前，我们还必须探究“宇宙之外空无一物”这个原理的其他含意。 |
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