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◆ 引言：岸边漫步 >> 世界的基本结构正在显现，它由一群量子事件生成，其中时间和空间都不存在。量子场绘制了空间、时间、物质与光，在事件之间交换信息。实在（Reality）是由独立事件构成的网络，概率使它们相互关联，在两个事件之间，空间、时间、物质与能量消融在一团概率云中。 >> 科学由实验、假设、公式、计算与讨论组成，但这些只是工具，就如乐手的乐器。正如音乐中重要的是音乐本身，科学里真正重要的是科学所提供的对世界的理解。 ◆ 第一部分 源头 >> 米利都派领悟到，通过灵活运用观察与推理，而不是在幻想、古代神话或宗教中寻找答案——最重要的是以敏锐的方式运用批判性思维——才有可能不断修正我们的世界观，发现隐藏在普遍观点之中的实在的新面向，才有可能发现新事物。 >> 德谟克利特体系的理念极其简单：整个宇宙由无限的空间构成，其中有无数原子在运动。空间没有界限；没有上也没有下；没有中心，也没有边界。原子除了形状以外别无特性。它们没有重量、颜色与味道。“甜是从俗约定的，苦是从俗约定的，热是从俗约定的，冷是从俗约定的，颜色也不例外，实际上只有原子和虚空”。 >> 原子是不可分割的；它们是实在的基本微粒，无法继续被分割，万物都由它们组成。它们在空间中自由移动，相互碰撞；它们彼此勾连在一起，互相推拉。相似的原子彼此吸引。这就是世界的构成，这就是实在。其他一切只不过是这种运动和原子结合的副产物，随机且偶然。组成世界的无穷多种物质只是源自原子的结合。 >> 德谟克利特的道德理想是通过节制与平衡，通过信任理性来让自己不被情绪主导，达到心灵的宁静。 >> 德谟克利特发现，物质不可能是一个连续的整体，因为“物质是连续的整体”这一命题中包含矛盾。 >> 德谟克利特推断，唯一的可能性就是，任何物质都是由数量有限的不连续物质构成的，它不可再分，大小有限：即原子。 >> 理性可以向我们揭示事物的本来面目，而非它们显现的样子。巴门尼德探索出了一种借由纯粹理性抵达真理的方法，他宣称一切表象都是幻象，从而揭示了一种逐步趋向形而上学的思考方式。 >> 卢克莱修的话，提供了原子概念的鲜活证据：关于我在这里所描写的这个事实，有一种相似的情形时常出现在我们眼前：瞧，每当太阳的光线投射进来，斜穿过屋内黑暗的厅堂的时候，你就会看见许多微粒以许多方式混合着。在光线所照亮的那个空间里面，它们像在一场永恒的战争中，不停地互相撞击，一团一团地角斗着，没有休止，时而遇合，时而分开，被推上推下。从这景象你就可以猜测到：在那更广大的虚空里面，有怎样一种永恒不停的运动。至少就一件小事能够暗示大道理而言，这例子可以把你引去追寻知识的踪迹。也正是因为这个缘故，你应该更用心地注意这些物体。它们在阳光下舞蹈着，互相推撞着，而这些推撞正足以标示，还有秘密而不可见的物质运动，隐藏在下面，在它们背后。因为在这里你将看见许多微粒，在不可见的力量之下退开又撞击，从而改变了它小小的路线，被迫向后又再回来，时而这里，时而那边，弥漫在四面八方。要知道，所有它们这些转移的运动，都是从最初的原子开始的，因为正是事物的原子最先自己运动，接着，那些由原子的小型结合所构成、并且最接近原子的物体，也由着那些不可见的撞击而骚动起来，之后这些东西又刺激更大些的东西：这样，运动就由原子开始逐步上升，最终出现在我们的感觉里，直至那些能在阳光中见到的粒子也动起来，虽然看不出是什么撞击在推动它们。爱因斯坦重现了最初由德谟克利特设想、后来由卢克莱修呈现的“鲜活证据”，并且把它转述成了数学语言，从而能够计算原子的大小。 ◆ 2．经典 >> 哥白尼对托勒密的《至大论》进行了修改，天体不再围绕地球运转，太阳取而代之成为中心，地球和其他天体围绕太阳运动。 >> 约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）证明了哥白尼体系真的可以运转得比托勒密体系更出色。通过仔细分析新的观察结果，开普勒证明，只需借助几个新的数学定律就可以精确描述围绕太阳运行的行星的运动，甚至可以达到前所未有的精度。 >> 实验科学就源于伽利略。实验很简单：他让物体自由下落，使物体做亚里士多德的自然运动，并尝试精确测量其下落速度。 >> 在这个过程中，保持不变的并非下落的速度，而是加速度，即速度增大的快慢。并且神奇的是，对所有物体来说这个加速度都是相同的。它是个常量，其大小大约是9.8米每秒的平方。 >> 这是人们发现的描述地球上物体的第一个数学定律：自由落体定律 >> 牛顿领悟到，宇宙是一个巨大的空间，物体通过力的方式相互吸引；并且存在一种统一的力——万有引力，任何物体都会吸引其他物体。 >> 一个伟大的设想形成了。一千年以后，突然间，天与地不再分离。不存在亚里士多德假定的“自然等级”；世界的中心并不存在；物体在不受约束时不再返回其自然位置，而是永远沿直线运动。 >> 牛顿推导出了万有引力的大小随距离的变化关系注，其比值我们今天称为牛顿引力常数，用字母G表示，代表“引力”（Gravity）。 >> 牛顿参考了古代原子论，他用常见术语进行了表述：在我看来，也许上帝最初是用实心、坚实、坚硬、无法穿透、可移动的粒子来构造物质的，它们具有特定的大小与形状，及其他特定属性，与空间成一定的比例……牛顿力学的世界十分简单，可以总结为图2.1和图2.2。它是重获新生的德谟克利特的世界。 >> 牛顿的世界是德谟克利特世界的数学化。 >> 牛顿明白，他的方程无法描述自然界中存在的所有力，除了引力，还有其他力作用在物体上。 >> 第一件意想不到的事是，我们可见的所有现象，都由万有引力以外的另一种力支配：今天我们称之为电磁力。是这种力使物质聚集在一起，形成固体；是这种力使分子中的原子结合在一起，使原子中的电子结合，使化学物质和生命体可以运转；是这种力使我们大脑中的神经元运转，主宰我们接收外界信息的过程，以及我们的思维方式；是这种力创造了阻碍滑动物体运动的摩擦力，给跳伞运动员落地时以缓冲；是这种力制造了电动机和内燃机[插图]，使我们可以打开电灯，听收音机。 >> 第二件事是最令人意想不到的，那就是，要理解这种力需要对牛顿的世界进行重要的修正：现代物理学由此诞生。 >> 需要关注的最重要的概念就是场的概念。 >> 理解电磁力的工作由两位英国人完成：科学史上最奇特的两位——迈克尔·法拉第（Michael Faraday）与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。 >> 他的直觉是这样的：我们不应该像牛顿假设的那样，认为物体之间是直接相互作用的。我们应该认为，存在某种电磁体激发的实体布满空间，并且作用在物体上（推或拉）。法拉第凭直觉知道的这种实体，今天我们称之为“场”。 >> 场线充满空间。两个带电物体通过它们相互作用，两个物体的力通过场的力线“传递”。 >> 带电物体（比如摩擦过的玻璃棒）会使它周围的电磁场（线）弯曲，这些场反过来会对其中的带电物体产生力的作用。两个带电物体不会直接互相吸引或排斥，而要经由它们之间的媒介。 >> 牛顿对于他本人所引入的超距作用也感到困惑。 >> 引力是物质内在固有、必不可少的，因此一个物体可以穿越真空对远处的另一物体产生影响，在没有任何媒介的情况下，其作用和力可以从一个物体传到另一物体，这一点对我来说十分荒谬，我相信任何有能力进行哲学思考的人都不会如此认为。引力一定是由某一媒介根据特定法则持续产生作用的，至于这种媒介是物质还是非物质，就留给我的读者思考了。 >> 爱因斯坦之后将会把法拉第的绝妙办法应用到牛顿的引力理论中。引入新的实体——场——使法拉第完全背离了牛顿简洁优美的本体论：世界不再只由在空间中随时间流逝而运动的粒子组成。 >> 麦克斯韦方程组，它们描述了电磁场的特征，是法拉第力线的数学表达。 >> 法拉第和麦克斯韦的世界：随着时间流逝，粒子和场在空间中运动。 >> 这些方程还需要解释原子如何运动（它们被电磁力结合在一起），形成石头的物质微粒为何会黏合在一起，以及太阳如何活动。它们可以描述各种各样的现象。 >> 我们所见的几乎一切——除了引力以外——都可以用麦克斯韦方程组很好地进行描述。 >> 麦克斯韦意识到，他的方程预言法拉第的力线可以振动起伏。法拉第力线波动的传播速度，结果竟然……与光速相同！ >> 我们看到的世界是多彩的，那么颜色是什么呢？简单来说，它是光作为电磁波的频率（振动的速率）。如果波振动得更快，颜色就会偏向蓝色；如果振动得慢一些，就会偏向红色。我们感知的颜色是由视觉神经产生的反应信号，可以辨别不同频率的电磁波。 >> 世界已经改变，它不再只是由空间中的粒子组成，而是由空间中的粒子和场组成。 ◆ 第二部分 革命的开端 >> 重新审视关于世界的传统观念：相对论中的时间与空间；量子理论中的物质与能量。 >> 在一个事件的过去与未来之间（例如，你正在阅读的此时此刻与你的过去与未来之间），存在一个“中间区域”，一个“延展的现在”，一个既非过去亦非未来的区域。这就是狭义相对论的发现。 >> 这个既不在过去也不在未来的中间区域[插图]时间非常短，取决于相对你而言事件发生的位置，就像图3.2中画的那样。事件离你的距离越远，延展的现在持续的时间就越长。 >> 爱因斯坦领悟到“绝对的同时性”并不存在：宇宙中并不存在“现在”发生的事件。 >> 宇宙中发生的事件不能用一系列的、一个接一个的“现在”来描述；它有着如图3.2中的更复杂的结构。这幅图描绘了物理学中的时空：一组过去与未来的事件，以及既不是过去也不是未来的事件；这些事件并不在一瞬间形成，它们本身要持续一段时间。 >> 对牛顿力学的巧妙重建由爱因斯坦在1905年和1906年迅速完成。这个重建的第一个成果就是，正如空间与时间融合成了统一的时空概念，电场与磁场也以同样的方式融合，合并为一种单一的实体，我们今天称之为电磁场。 >> 在新的力学中，“能量”与“质量”合二为一，如同时间与空间合二为一，电场与磁场合二为一。 >> 质量守恒定律与能量守恒定律。第一个定律已经被化学家广泛证实了：质量在化学反应中不发生改变。第二个——能量守恒定律——直接由牛顿方程推导出来，被认为是最没有争议的定律之一。 >> 爱因斯坦意识到能量与质量是同一实体的两面，就如电场和磁场是同一种场的两个面向，空间和时间是同一事物即时空的两个面向。这表明，质量本身并不守恒；能量——按照当时理解的那样——也不守恒。一种可以转化为另一种，只存在一个守恒定律，而非两个。守恒的是质量与能量的总和，而非其中任意一个。一定存在某个过程，可以把能量转化为质量，或把质量转化为能量。 >> 爱因斯坦快速计算出了通过转化一克物质可以得到多少能量，结果就是著名的公式E=mc2。 >> 我们对现在的直观理解——所有事件“现在”都在宇宙中发生——是我们由于无知而做出的判断，因为我们无法感知到短暂的时间间隔。 >> 广义相对论是物理学家创造的最美的理论，也是量子引力的第一大支柱，是本书的核心。20世纪物理学的真正神奇之处由此展开。 >> 德谟克利特说空白空间是某种“介于存在与不存在之间”的东西：“德谟克利特假定了满与空，把一个称为存在，另一个称为不存在。”辛普里丘（Simplicius）如此评论说。原子存在，空间不存在——然而是个存在的不存在。没有比这更难理解的了。 >> 牛顿复兴了德谟克利特关于空间的观念，他宣称空间是上帝的感官，尝试以此来解决空间问题。没人能够理解牛顿的“上帝的感官”是什么含义，也许牛顿自己也不明白。 >> 爱因斯坦的非凡天才就体现于此，这也是人类思想史上最闪亮的时刻之一：如果引力场实际上就是牛顿神秘的空间呢？如果牛顿的空间只不过是引力场呢？这个极其简单、优美、智慧的想法就是广义相对论。 >> 世界并不是由空间、粒子、电磁场、引力场组成，而只是由粒子与场组成，除此之外别无其他，没有必要把空间作为附加要素加进来。牛顿的空间就是引力场，或者反过来说也一样：引力场就是空间。 >> 与牛顿平直、静止的空间不同，由于引力场是一种场，它会运动与起伏，并遵循一定的方程。 >> 这是对世界的极大简化。空间不再与物质有所分别，它也是世界的一种物质组成部分，与电磁场类似。它是一种会波动起伏、弯折扭曲的真实实体。 >> 爱因斯坦的方程描述了星体附近空间如何弯曲，由于这种弯曲，光线会偏折。爱因斯坦预言说太阳会使其周围的光线弯曲。实验测量在1919年完成，光线的偏折被测出，结果与预言完全一致。 >> 这一切都来自一个基本的直觉——那就是：时空与引力场是一回事。 ◆ 4．量子 >> 20世纪物理学的两大支柱——广义相对论与量子力学——二者大相径庭。广义相对论是一块坚实的宝石，它由爱因斯坦一人综合过往的理论构思而成，是关于引力、空间和时间简洁而自洽的理论。 >> 爱因斯坦论证说光确实是由小的颗粒，即光的粒子组成的。他考察了一个已经被观测过的现象：光电效应。有些物质在被光照射时会产生微弱的电流，也就是说，有光照射时它们会发射出电子。现象是否发生取决于光的颜色（频率）而非其强度（能量）。 >> 即使光很强——实际上是有很多光包——可是单个光微粒太小，也就是光的频率太低的话，电子也不会从原子中被激发出来。这就解释了为何是颜色而非强度决定了光电效应是否会发生。 >> 光子是光的微粒，光的量子。爱因斯坦在文章中写道：在我看来，如果我们假设光的能量在空间中的分布是不连续的，我们就能更好地理解有关黑体辐射，荧光，紫外线产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象。根据这个假设，从点光源发射出的一束光线的能量，并不会在越来越广的空间中连续分布，而是由有限数目的“能量量子”组成，它们在空间中点状分布，作为能量发射和吸收的最小单元，能量量子不可再分。 >> 要理解光如何可以同时是电磁波和一群光子，需要建构全部量子力学。但这个理论的第一块基石已然奠定：在一切物体，包括光之中，存在着基本的分立性。 >> 研究原子发射的光，很明显物质都有特定的颜色。由于颜色是光的频率，光由物质以特定的频率发射。描绘特定物质频率的集合被称为这种物质的“光谱”，光谱就是不同颜色光线的集合，其中特定物质发出的光会被分解（比如被棱镜分解）。 >> 颜色是法拉第力线振动的速度，它由发射光的电荷的振动决定，这些电荷就是原子内运动的电子。因此，通过研究光谱，我们可以搞清楚电子如何绕原子核运动。反过来讲，通过计算环绕原子核运动的电子的频率，我们可以预言每种原子的光谱。 >> 电子可以在能量允许的情况下从一个轨道“跳跃”到另一个轨道，这就是著名的“量子跃迁”。电子在这些轨道运动的频率决定了发出的光的频率。由于电子只能处于特定的轨道，因此只能发射特定频率的光。 >> 他得到了一个令人不安的理论：在对粒子运动进行基本描述时，并不能描述粒子在任意时刻的位置，而只能描述它在某些瞬间的位置——粒子与其他物质相互作用的那些瞬间。 >> 这就是量子力学的第二块基石，其最难理解的要点是事物之间相关性的那一面。电子不是始终存在，而是在发生相互作用时才存在，它们在与其他东西碰撞时才突然出现。从一个轨道到另一个轨道的量子跃迁实际上是它们真实的存在方式：电子就是从一个相互作用到另一个相互作用跃迁的集合。当没有东西扰动它时，电子不存在于任何地方。 >> 现在，狄拉克的量子力学是所有工程师、化学家、分子生物学家都要使用的数学理论，其中每个物体都由抽象空间[插图]来定义，除了那些不变量如质量外，物体自身没有其他属性。其位置、速度、角动量、电势等，只有在碰撞——与另一个物体相互作用时才具有实在性。 >> 理论也提供了信息，告诉我们在下一次相互作用中谱可以取哪些值，但只能以概率的形式。我们无法确切知道电子会在哪里出现，但我们可以计算它出现在这里或那里的概率。这与牛顿理论相比是一个根本性的变化，在牛顿理论中，原则上我们可以准确地预测未来。量子力学把概率带入了事物演化的核心。这种不确定性是量子力学的第三块基石：人们发现概率在原子层面起作用。 >> 而在量子力学中，即使我们能够进行计算，也只能计算出事件的概率。这种微小尺度上决定论的缺失是大自然的本质。电子不是由大自然决定向左还是向右运动，它是随机的。宏观世界表面上的决定论只是由于微观世界的随机性基本上会相互抵消，只余微小的涨落，我们在日常生活中根本无法察觉到。 >> 与狭义相对论相容的量子理论的一般形式被称为量子场论，它构成了今日粒子物理学的基础。粒子是场的量子化，正如光子是光的量子化。所有的场都在相互作用中表现出分立的结构。 >> 世界并不是由粒子和场组成的，而只有一种实体：量子场。再也没有随着时间流逝在空间中运动的粒子了，存在的只有量子场，其基本事件发生在时空之中。 >> 量子力学揭示了事物本性的三个面向：分立性、不确定性与世界结构的相关性。 >> 首先是自然界中基本分立性的存在。物质与光的分立性是量子理论的核心。 >> 量子力学的第一个含义就是，系统内部能够存在的信息有一个上限：系统所处的可区分状态的数量是有限的。无穷是有限的，是理论的第一个重要方面，这正是德谟克利特窥见的自然的分立性。普朗克常量h衡量了这一分立性的基本尺度。 >> 世界是一系列分立的量子事件，这些事件是不连续的、分立的、独立的；它们是物理系统之间的相互作用。 >> 量子力学把不确定性引入了世界的核心。未来真的无法预测。这就是量子力学带来的第二个重要经验。由于这种不确定性，在量子力学所描述的世界中，事物始终都在随机变化。所有变量都在持续“起伏”，因为在最小的尺度上，一切都在不停振动。 >> 量子力学为我们揭示出，我们观察的世界越细微，就越不稳定。世界并非由小石子构成，它是振动，是持续的起伏，是一群微观上转瞬即逝的事件。 >> 在基本层面上随机性与概率的出现，是量子力学表达的第二个关于世界的重要发现。 >> 量子力学理论并没有描述事物本来如何：它描述的是事物如何出现和事物之间如何相互作用。它没有描述哪里会有一个粒子，而是描述了粒子如何向其他粒子展现自己。存在的事物被简化为可能的相互作用的范围。实在成了相互作用，实在成了关联。 >> 速度不是物体本身的属性，它是一个物体相对于另一物体运动的属性。爱因斯坦把相对性的概念拓展到了时间：只有相对于某一特定的运动，我们才能说两个事件是同时的。 >> 量子力学以一种根本的方式扩展了相对性：一个物体的所有变量都只相对于其他物体而存在。自然只是在相互作用中描绘世界。 >> 在量子力学描述的世界中，实在只存在于物理系统之间的关联之中。并不是事物进入关联，而是关联是“事物”的基础。量子力学的世界不是物体的世界，它是事件的世界。 >> 哲学家尼尔森·古德曼说：“物体是一个不变的过程”。一块石头是在一定时间内保持其结构的量子振动，就像海浪再次融入大海前会暂时维持其形态一样。 >> 我们体内的原子，也在飞入与飞离我们。我们就像波浪和一切物体一样，是流动的事件；我们是过程，在很短的时间内保持不变…… >> 量子力学描述的不是物体：它描述的是过程，以及过程之间连接点的事件。 >> 量子力学发现了世界的三个特征：● 分立性。系统状态的信息是有限的，由普朗克常数限定。● 不确定性。未来并非完全由过去决定。我们所见的严格的规律性最终是统计学上的。● 关联性。自然的事件永远是相互作用。系统的全部事件都相对于另一系统而出现。 >> 量子力学教会我们，不要以处在某一状态的“物体”的角度来思考世界，而应该从“过程”的角度来思考。过程就是从一次相互作用到另一次相互作用的历程。物体的属性只有在相互作用的瞬间才以分立的方式呈现，也就是只在这些过程的边缘，只在与其他物体发生关联时才出现。无法对其做出完全确定的预测，只能进行概率性的预测。 ◆ 第三部分 量子空间与关联的时间 >> 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。 >> 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。 >> 当把量子力学与广义相对论结合在一起时，我们会发现空间的分割是有极限的。在某一特定尺度以下，没有东西能够进入。更准确地说，那里什么都不存在。 ◆ 6．空间的量子 >> 在惠勒-德维特方程的解中出现的闭合线就是引力场的法拉第力线。 >> 现在有两个新的要素要加进法拉第的理念之中。第一个就是我们正在处理的量子理论。在量子理论中，一切都是不连续的。 第二个新的方面，也是最关键的一个，在于我们正在讨论引力。我们并不是在讨论侵入空间的场，而是在讨论空间结构本身。量子引力场的法拉第力线就是编织空间的线。 >> 法拉第力线的量子版本，像相互连接的环（圈）的三维网状结构编织成的空间。 >> 理解这些解的物理学关键在于这些线的交叉点。这些点被称为“节点”，节点之间的线被称为“连线”，一组相交线形成了“图”，也就是由连线连接的节点的组合。 >> 空间的体积存在于图中的节点，而非存在于线中。这些线把位于节点处的单个体积“连在一起”。 >> 阐明图形物理含义的关键就在于计算体积和面积的范围。 >> 体积谱：自然界中可能存在的正四面体的体积是有限的。底部最小的那个是实际存在的最小体积。 >> 体积谱计算完成于20世纪90年代中期，结果和预期的一致（费曼曾说过，在知道结果以前，我们不应该进行计算）：体积谱是离散的。也就是说，体积只能由“离散的小包”组成。这与电磁场的能量有些相似，电磁场也是由离散的光子构成的。 >> 节点是构成物理空间的基本量子，图中的每个节点都是一个“空间的量子粒子”。 >> 如果你把两个节点想象为两块小的“空间区域”，这两个区域会被一个微小表面分开，这个表面的大小就是其面积。继体积之后的第二个量，就是与每条线有关的面积，标示出空间量子网络的特征。 >> 空间看起来是连续的，只不过是因为我们无法感知这些单个空间量子极其微小的尺度。就像我们仔细去看一件T恤的布料时，我们发现它是由很细的线编织而成的。 >> 圈量子引力的核心预言是空间不是连续体，不是无限可分的，它由“空间原子”组成，比最小的原子核的十亿分之十亿分之一还要小。 >> 圈理论特别强调体积（比如给定立方体的体积）不能任意小，存在一个最小的体积，比这个最小体积还小的空间不存在。存在一个最小体积的量子，即最基本的空间原子。 >> 数学已经证明无穷多个逐渐减小的间隔之和等于有限的间隔。 >> 任意小的空间并不存在，空间的可分性有个下限，它虽然是非常小的尺度，但确实存在。这就是马特维·布朗斯坦在20世纪30年代凭直觉领悟到的。体积谱与面积谱的计算证实了布朗斯坦的想法，并且用精确的数学形式表达出来。 >> 物理学中半整数被称为“自旋”，因为它们出现在自旋物体的量子力学中。 >> 自旋网络表示引力场的量子态：空间的量子态；面积与体积是离散的分立空间。 >> 光子（电磁场的量子）和图中节点（引力的量子）的重要差别在于光子存在于空间之中，而引力子构成空间本身。光子由它们所在的位置来描述。[插图]空间的量子没有存在的位置，因为它们就是位置本身。只有一条信息可以描述它们的空间特征：它们相邻的也就是紧挨着的其他空间量子的信息。 >> 这一信息由图中的连线表示。由连线连接的两个节点是邻近的两个节点，它们是互相接触的两个空间微粒，这种“接触”建造了空间的结构。 >> 如果我沿着连线从一个点走到另一个点，直到完成一个回路，回到出发点，我就完成了一个“圈”，这就是圈理论最初的那些圈。 >> 物质不是它本身的样子，而是它们相互作用时的样子。自旋网络不是实体，它们描述了空间对物体的作用。 >> 在极其微小的尺度上，空间是一群涨落的引力子，它们之间相互作用，一起对物体产生作用，在这些相互作用中以自旋网络和相互关联的微粒来显现自己。 >> 物理空间就由这些永不停息的关联网络织就。这些线本身不在任何地方；它们不在任何位置，而是通过相互作用创造位置。空间由引力子之间的相互作用创造。 ◆ 7．时间不存在 >> 时间不是自己独立存在的，应该承认，离开了事物的活动，人们就不能感受到时间本身。——卢克莱修《物性论》 >> 物体（量子）并不占据空间，它们彼此依存，空间由量子间的相邻关系织就。正如我们放弃了空间是固定不变的容器这一观念，类似地，我们也必须放弃时间是固定不变的，实在随时间展开这一观念。物体存在的连续空间消失了，现在，现象发生于其中的流动的时间也要消失了。 >> 在某种意义上，空间不再存在于基础理论之中；引力场的量子不在空间之中。同样，时间也不再存在于基础理论之中，引力的量子不在时间之内演化，时间只计算它们的相互作用。 >> 一旦我们把量子力学考虑进来，就会意识到时间也具有任何实在所共有的那些面向：如概率的不确定性、分立性和关联性。 >> 时间在世界各地并不以相同的方式流逝。在有些地方流逝得更快些，有些地方会慢些。你距离地表越近，引力越大[插图]，时间流逝就越慢。 >> 我们不能把时间看作一个记录宇宙生命的巨大宇宙时钟。 >> 我们应该把时间看成局部的现象：宇宙中的每个物体都有它自己的时间之流，其速度由当地的引力场决定。 >> 在普朗克尺度上，量子事件不再按照时间的流逝先后发生。在某种意义上，时间不再存在。 >> 首先，时间变量从基本方程中消失并不意味着一切都是静止的，不表示改变不会发生。刚好相反，这表明变化是普遍存在的。 >> 时间的流逝是世界所固有的，是世界与生俱来的，从量子事件之间的关系中产生。这些量子事件正是世界本身，产生它们自己的时间。 >> 伽利略发现钟摆的摆动都具有相同的持续时间（与振幅无关）。因此，有可能通过数钟摆的摆动次数来测量时间。这主意看似显而易见，却是伽利略发现的；在他之前没有任何人发现过。科学就是如此。 >> 时间变量的存在是个有用的假设，并不是观测的结果。 >> 在脉搏和蜡烛吊灯的例子里，我们不会有在时间中演化的脉搏和吊灯，而只有告诉我们这两个变量相对彼此如何演化的方程。也就是说，方程会直接告诉我们在一次摆动中脉搏跳动了多少次，而不涉及时间。 >> 我们必须学会不以事物在时间中变化而是以其他方式来思考世界。事物只是相对于另一事物发生变化。在基本层面，时间不存在。我们通常对时间流逝的感觉只是在宏观尺度上的一种有效近似，这主要是源于我们只能以粗糙的方式感知世界。 >> 理论所描述的世界与我们熟知的世界大相径庭。再没有包含世界的空间，也没有事件发生于其中的时间，有的是空间量子和物质不停相互作用的基本过程。 >> 没有作为容器的空间，没有世界随之流逝的时间，我们如何描述变化呢？时光的流逝只是过程本身的量度，正如引力量子不在空间内，它们本身构成空间。 >> 量子力学并没有告诉我们在过程中发生了什么，而是告诉了我们把过程的初始状态和最终状态结合到一起的概率。 >> 费曼图与格点近似——是研究量子场论最有效的两种技巧。 >> 在量子引力中用来计算物理过程的时空泡沫，既可以用费曼图解释，也可以用格点近似来解释。[插图]因此，标准模型的这两种计算方法原来是一种通用方法的特殊情况：对量子引力自旋泡沫求和。 >> 空间是个自旋网络，它的节点代表基本微粒，连线描述其相邻关系。时空在这些自旋网络相互转化的过程中产生，这些过程由对自旋泡沫求和来描述。自旋泡沫表示自旋网络的历史，图中的节点相互结合与分开，形成分立时空。 >> 空间的背景消失了，时间消失了，经典粒子和经典场也消失了。那么世界到底由什么构成呢？粒子是量子场的量子；光由场的量子形成；空间也只不过是由量子构成的场；时间也在这个场的过程中形成。换句话说，世界完全由量子场构成 >> 世界由什么构成？只有一种要素：协变量子场。这些场不在时空之内，它们一个叠着一个：场叠加着场。我们在大尺度上感知的空间与时间是其中一种量子场——引力场模糊近似的景象。 >> 有些场本身就能存在，无须时空作为基础和支撑，可以自行产生时空，这些场被称作“协变量子场”。 >> 世界、粒子、光、能量、空间和时间，所有这些都只不过是一种实体——协变量子场的表现形式。 >> 一旦人们认识到空间和时间是量子场的不同面向，量子场甚至可以无须基于外在空间而存在，这二者就相容并联合在一起，成了同一枚硬币的两面。这幅物理世界基本结构的精练图景就是现在量子引力提供的实在图景。 ◆ 第四部分 超越时空 >> 让时间倒流，温度会升高，物质的密度和能量也增大。到一百四十亿年前的某一点达到了普朗克尺度。 >> 在那一点，广义相对论的方程不再适用，因为此时无法忽略量子力学。 >> 如果我们把量子力学考虑进来，宇宙就不会被无限压缩，量子斥力会使其反弹。收缩的宇宙不会坍缩成一个点：它会反弹并开始膨胀，好像是由爆炸形成的一样 ◆ 9．实验上的证据？ >> 理论会对我们尚未观测到的东西做出预测，我们可以验证这些预测正确与否。这就是科学的力量，其可靠性有牢固的基础。 >> 缺少实验证据的理论是还没通过检验的理论。检验永不会结束，一个理论不会因为一个、两个或三个实验就被彻底证实，但随着它的预言被证明为真，理论的可信度会逐步增加。 >> 量子引力理论还处在婴儿阶段，其理论构件正在变得坚实，基础理念正在被阐明：线索是好的，并且很具体——但仍然缺少被证实的预测，这个理论还没有通过检测。 >> 这些年在基础物理学中有三个重要的实验结果。第一个是日内瓦欧洲核子研究组织发现了希格斯玻色子。第二个是由普朗克卫星做出的观测，测量数据在2013年公之于众，证实了标准宇宙模型。第三个是在2016年的头几个月公布的首次探测到引力波。这些是自然最近给我们的三个信号。 >> 希格斯玻色子的发现强有力地证明了基于量子力学的基本粒子标准模型的正确性，这是对三十年前做出的预言的验证。对基于广义相对论和宇宙常数的标准宇宙模型而言，普朗克卫星的观测结果是个坚实的证据。对已经诞生了一百年的广义相对论来说，探测到引力波是个惊人的证据。 >> 引力场，也就是空间本身，肯定像海面一样振动。 >> 与电磁场相比，引力波受到物质的影响要小，甚至当宇宙太致密而无法让电磁波穿过时，引力波也可以不受影响地通过。 ◆ 10．量子黑洞 >> 量子引力对黑洞的第一个应用涉及史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）发现的一个奇特事实。20世纪70年代早期，他从理论上推导出黑洞是“热的”，它们的表现像热的物体：它们会放热。 >> 圈理论提供了一种可能的答案。给黑洞带来温度的、振动的基本原子是其表面单个的空间量子。 >> 量子力学的核心就是物体不可能始终完全静止在一个位置。黑洞的热量与圈量子引力中空间原子的振动直接相关。 >> 还有另一种理解黑洞热量来源的方式。量子涨落会在黑洞的内部和外部之间产生关联（我会在第十二章中详细说明关联与温度）。贯穿黑洞视界的量子不确定性产生视界的几何涨落，而涨落意味着概率，概率意味着热力学，即温度。 >> 圈量子引力对黑洞物理学的第二个应用更加惊人。恒星一旦坍缩，就会从外部视野中消失：它就在黑洞内部了。 >> 广义相对论预言，一切都会在中心被挤压成一个体积无穷小、密度无穷大的点。 >> 如果我们考虑量子引力，这个预言就不正确了——因为存在量子斥力——使宇宙在大爆炸时反弹的同样的斥力。 >> 我们预期的是，在靠近中心的过程中，坠入的物质的速度会被这种量子压力减慢，密度会非常大但有限。物质会被压缩，但不会一直压缩成一个无穷小的点，因为物质的大小存在一个下限。 ◆ 11．无穷的终结 >> 当把量子引力考虑进来时，这些无穷就会消失，原因很明显：空间不是无限可分的，没有无穷多的点；没有无穷多的东西可以加起来。空间的分立离散结构解决了量子场论的困难，消除了让人苦恼的无穷大。 >> 为无穷设定限度在现代物理学中是个反复出现的主题。狭义相对论也许可以总结为发现了一切物理系统都存在一个最大速度。量子力学可以总结为发现了每个物理系统都存在信息的最大值。最小的长度是普朗克长度Lp，最大速度是光速c，信息的总和由普朗克常数h决定。 >> 长度、速度、作用量的最小值和最大值的存在确定了单位的自然系统。 >> “无穷”根本上是我们给予尚未了解之物的名字。自然似乎在告诉我们，没有什么是真正无穷的。 >> 目前的测量表明，宇宙的大小肯定比一千亿光年要大。这是我们无法直接触及的宇宙的数量级。它大约是普朗克长度的10的120次方。巨大，极其巨大，但是有限。 ◆ 12．信息 >> 为何信息的概念如此有用，甚至可能是理解世界的基础呢？原因很微妙：它衡量了一个物理系统与另一物理系统交流的能力。 >> 世界不只是碰撞的原子网络，它也是成组的原子之间关联的网络，物理系统之间交互信息的真实网络。 >> 熵的总量只能增加，因为信息只能够减少。 >> 量子力学的整个结构都可以根据信息按照如下方式来解读和理解。一个物理系统只有在与其他物理系统相互作用时才显现。于是，对物理系统的描述也是相对于另一与之相互作用的物理系统给出的。因此，对系统的任何描述都是对一个系统所具有的关于另一系统的信息的描述，即两个系统之间的关联。 >> 量子力学的整个形式结构很大程度上可以表述为两条简单的基本原理：1．任何物理系统中的相关信息是有限的。2．你永远能够得到一个物理系统的新信息。 >> 第一条基本原理表示了量子力学的分立性特征：只存在数量有限的可能性。第二条表示了其不确定性特征：总是存在一些无法预测的事，让我们能得到新的信息。 >> 在量子力学中，当我们与一个系统相互作用时，我们不仅是了解到一些内容，也“删去”了关于系统的一部分相关信息。 >> 为了理解世界的基本原理，我们需要把三个基本要素融合在一起，而不止是两个：不只是广义相对论与量子力学，还包括热理论，也就是统计力学与热力学，我们也可以称之为信息理论。 >> 时间的显著特点是向前移动，不会向后移动，也就是不可逆的。 >> 在热量产生的那个时刻，过程就不可逆转了：过去与未来区分开来。一直是热量并且只有热量才能把过去与未来区别开。 >> 无论何时，当你去思考一个要证明时间流逝的现象时，都会发现是通过热量的产生来证明的。没有热量，时间就没有选定的方向。 >> 知识本质上是关联性的，它同时取决于主体与客体。系统“状态”的概念，不管是否显而易见，都涉及另一个系统。 >> 为了理解实在，我们必须牢记在心，实在就是编织成世界的关联网络、交互信息网络。 >> 我们把周围的实在切割成客体，但实在不是由离散的客体组成的，它是变化的，流动的。 >> 这些界限是任意划分、约定俗成的，使用起来很方便： >> 我们可以使用各种其他的约定，它们都很有用，但是很随意。它们是思考的方式，可以在复杂的实在中为我们指明方向。 >> 在一个多变的环境中持续生存的有效方式就是与外在世界维持更好的关联，其关键就是信息——去收集、存储、传递、精练信息。 >> 由于这个原因，DNA、免疫系统、感觉器官、神经系统、复杂的大脑、语言、书籍、亚历山大图书馆、电脑与维基百科才得以存在：它们把信息处理的效率最大化——处理对生存有利的关联。 >> 原子就像是字母表中的字母：一个不同寻常的字母表，异常丰富，甚至可以阅读、反思与思考自身。我们不是原子，我们是原子排列的顺序，能够映射出其他原子与我们自身。 >> 德谟克利特给出了一种奇特的“人”的定义：人是我们所知的一切。 >> 德谟克利特留给我们的不是陈词滥调。人的本性不是他的内在结构，而是他置身其中的个人、家庭、社会相互作用的网络。 >> 是这些“造就”了我们，保护着我们。作为人类，我们是他人了解的我们，我们了解的自己，以及他人所了解的我们的信息。我们是交互信息的丰富网络中复杂的节点。 ◆ 13．秘密 >> 意识到我们知识的局限也就是意识到我们所了解的也许会是错误的或不准确的。只有记住我们的信念有可能是错的，才有可能把我们从错误的概念中解放，并且学习到正确的观念。要学习某件事，必须要有勇气接受我们自认为知道的，即使最根深蒂固的信念都有可能是错的，或至少是不成熟的：只不过是柏拉图洞穴墙上的影子。 >> 科学是不可靠的，因为它提供确定性。但它又是可靠的，因为它提供给我们目前所能拥有的最好的答案。科学是目前为止关于我们所面对的问题的最大已知。恰恰是因其开放性，因其不停对当前知识提出疑问，才保证了它所提供的答案是目前为止最好的 >> 因为我们认为它们不是确定的，而是存在改进的可能性。正是意识到我们的无知，科学才变得可靠。 >> 科学思想的本质就是批判、反抗与不满于先前的概念，崇高、神圣或不可触摸的真理。 >> 科学和宗教频繁发现它们在碰撞。不是因为科学宣称掌握了终极答案，而是恰好相反：因为科学精神质疑任何宣称掌握终极答案或是对真理有特权的人。 2019.3.9 |
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