​9.实验上的证据？

量子宇宙学迷人的理论探索不只关于大爆炸以外存在何物。研究理论在宇宙学上的应用还有另一个原因：也许这能提供一个机会，来验证理论是否真的正确。

科学的有效，是因为在假设和推理之后，在直觉和洞察之后，在方程和计算之后，我们可以检验做得好不好：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，让我们可以充分信任——因为我们可以检验一个理论是对还是错。这就是科学与其他思考方式的不同，其他思考方式要判定谁对谁错往往是个很棘手的问题，有时甚至没有意义。

当勒梅特为宇宙正在膨胀这一观念辩护时，爱因斯坦并不相信这个观点。他们两个里肯定有一个人是错的，另一个是对的。爱因斯坦所有的成果、他的名声、在科学世界的影响、巨大的权威，都起不到什么作用。观测数据证明他错了，游戏就到此结束，一个默默无名的比利时神父是正确的。正因为此，科学思想才具有力量。

科学社会学阐明了科学认识过程的复杂性；和其他的人类努力一样，这个过程也会被非理性困扰，与权利的游戏纠缠，会被任何一种社会与文化因素影响。然而尽管如此，这些都没有削弱科学思想的实践与理论效力，这与一些后现代主义者、文化相对主义者的夸大其词正好相反。因为最终在大部分情况下，我们都可以清楚地确定谁对谁错。即使是伟大的爱因斯坦也会说（他确实说了）：“啊，我犯了个错误！”如果我们看重可靠性，科学就是最好的策略。

这并不意味着科学仅仅是做出可观测的预测的艺术。一些科学哲学家把科学限定为数值上的预测，这过度窄化了科学。他们没有抓住要点，因为他们混淆了手段和目标。可检验的定量预测是验证假说的手段，但科学研究的目标不只是做出预测，还要理解世界的运行方式，建构与发展世界的图景，提供给我们用以思考的概念结构。在进入技术层面之前，科学是有远见的。

可检验的预测是强有力的工具，可以让我们在误解某些事情时及时地发现问题。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。诸如广义相对论和量子力学这样的理论，最初让很多人感到困惑，但随着它们所有的预言——即使是最令人难以置信的——都逐步被实验和观测证实，它们也逐渐赢得了人们的信任。

另一方面，实验证据的重要性并不意味着没有实验数据我们就不能进步。人们常说只有当我们有新的实验数据时，科学才会进步。如果真是如此的话，在观测到新东西之前我们几乎没有希望发现量子引力，但很明显不是这样。对哥白尼而言有哪些新数据可用呢？什么都没有。他的数据和托勒密一样。牛顿有什么新数据吗？几乎没有。他真正的资料是开普勒定律和伽利略的成果。爱因斯坦有什么新数据去发现广义相对论吗？也没有。他的资料是狭义相对论和牛顿理论。只有新数据出现物理学才会进步，这个说法很明显是错误的。

哥白尼、牛顿、爱因斯坦和许多其他科学家所做的工作，是在先前存在的综合了自然众多领域经验知识的理论的基础上，发现一种方式对它们进行整合与重新思考，进而改进普遍的概念。

这就是量子引力的最好研究运作的基础。在科学中，知识的来源最终是实验。但构建量子引力所基于的数据并不来自新的实验，而是来自已然构成我们世界图景的理论大厦，虽然是以部分自洽的形式。量子引力的“实验数据”是广义相对论与量子力学。以这些为基础，我们试图理解量子和弯曲空间共存的世界怎样自洽，并尝试探索未知。

在我们之前处在相似情境下的巨人们，比如牛顿、爱因斯坦、狄拉克，他们取得的巨大成功，给了我们很大鼓励。我们并不敢设想达到他们的高度，但我们的优势在于坐在他们的肩膀上，这让我们比他们看得更远。无论如何，我们不得不努力。

我们必须区分线索和有力的证据。线索让夏洛克·福尔摩斯能够侦破神秘的案件，而法官需要有力的证据来审判罪犯。线索让我们走在朝向正确理论的道路上，有力的证据随后让我们相信我们所建构的理论是好是坏。没有线索，我们就在错误的方向上寻找；没有证据，理论就不可信。

对量子引力来说也是如此。这个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。

来自自然的信号

在本书叙述的研究方向上，另一个被研究最多的理论是弦理论。对弦理论或其相关理论进行过研究的大部分物理学家，都期盼着日内瓦欧洲核子研究组织（CERN）的新型粒子加速器（LHC，或称大型强子对撞机）一开始运转，一种之前从未被观测到但被理论预期的粒子——超对称粒子就会立刻出现。弦理论需要这些粒子来使理论自洽，所以弦理论家热切期盼着发现粒子。另一方面，即使没有超对称粒子，圈量子引力理论的定义也很完善。圈理论家倾向于认为这些粒子也许不存在。

超对称粒子没有被观测到，这让很多人感到失望。2013年那些庆祝希格斯玻色子的发现的人也掩饰了同样的失望。超对称粒子没有出现在许多弦理论家预期出现的能量上，这并不能确切证明任何事——远远不能；但自然已经给出了有利于圈理论的小线索。

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（图9.1）。第二个是由普朗克卫星（图9.2）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。

图9.1　在欧洲核子研究组织的一个事件，表示希格斯粒子的形成。

这三个结果有个共同点：完全没有惊喜。这并没有减弱它们的重要性，甚至正相反，这让它们更有意义。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。这三项经过技术上的艰苦努力和数百位科学家广泛合作取得的成果，只是加强了我们已有的对宇宙结构的理解。没有真正的惊喜。

图9.2　普朗克卫星

但这种惊喜的缺失在某种意义上就是惊喜，因为很多人都期待着能大吃一惊，也就是发现未被已确立的理论描述过的“新物理学”。他们在欧洲核子研究组织期待的是超对称粒子，而非希格斯玻色子。许多人期盼普朗克卫星能观测到与标准宇宙模型的偏差，这些偏差会支持广义相对论以外的其他宇宙理论。

但是没有。自然给出的肯定很简单：广义相对论、量子力学，以及量子力学内部的标准模型，这些都是正确的。

现在许多理论物理学家通过做出很随意的假设来寻找新理论：“让我们想象……”我认为这种研究科学的方式不会产生好结果。除非在我们掌控范围以内的踪迹中寻找灵感，否则我们的幻想会太局限于“想象”世界是怎样的。我们拥有的踪迹——我们的线索——要么是成功的理论，要么是新的实验数据，别无其他。我们应该在这些数据和这些理论中发现我们目前还不能想象的事。这就是哥白尼、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦前进的方式。他们从来不会“猜”一个新理论——不会像今天太多理论物理学家正在尝试做的那样。

目前我提到的三个实验结果已经为自然发声：“不要再幻想着新的场或奇怪的粒子；附加的维度，其他对称性，平行宇宙，弦，或是别的什么。拼图十分简单，就是广义相对论、量子力学和标准模型。下一步也许'只是’把它们以正确的方式进行整合的问题。”这对量子引力共同体来说是个让人欣慰的建议，因为这正是理论的假设：广义相对论、量子力学和与之相容的标准模型，再无其他。那些根本性的概念上的推论：空间的量子化、时间的消失——并不是大胆的假说，它们是在认真对待我们最优秀理论的基本洞见后得出的合理推论。

这些也可能还不是确切的证据。超对称粒子最终也许会出现，也许出现在我们尚未达到的尺度，并且即便圈量子引力是正确的，它也可能出现。超对称粒子没有出现在预期的地方，弦理论家有点沮丧，圈理论家感到很振奋，但这仍然只不过是线索的问题，还根本没有强有力的证据。

要找到更多坚实的证据，我们需要把目光投向别处。原始宇宙为我们打开了一扇窗，让我们进行一些能够证实理论正确性的预测。我希望那是在不太遥远的未来。或许他们可以证明理论是错的。

通往量子引力的一扇窗

如果我们有描述宇宙在量子阶段演变的方程，我们就可以计算量子现象对今天观测到的宇宙的影响。宇宙里充满了宇宙辐射：自早期炙热阶段余留下来的大量光子，以及早期高温的余晖。

星系间巨大空间中的电磁场像暴风雨过后的海面一样振动。这种遍布宇宙的振动被称为宇宙背景辐射，在过去的几年里已经由诸如宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），以及最近的普朗克卫星进行了研究。这种辐射的微小波动图像如图9.3所示。这种辐射结构的细节可以告诉我们宇宙的历史，宇宙量子起源的线索可能就藏身其中。

量子引力研究最活跃的板块之一正致力于研究原始宇宙的量子动力学是如何反映在这些数据中的。虽然只是获得初步发展，但仍然令人鼓舞。随着更多计算和更精确的测量，应该可以实现对理论的检验。

2013年，阿贝·阿什台卡（Abhay Ashtekar）、伊凡·阿古略（Ivan Agullo）和威廉·尼尔森（William Nelson）发表了一篇文章，在特定的假设下他们计算出，源自这些宇宙辐射的涨落的统计分布应该揭示了初始反弹的影响：大范围的涨落应该与没有考虑量子的理论做出的预测有所不同。目前的测量状态描绘在图9.4中，其中黑线表示阿什台卡、阿古略和尼尔森的预测，灰色的点表示测量数据。目前这些数据还不足以判断三位作者预测的黑线向上弯曲的部分是否正确，但测量正变得越来越精确，情况仍在变化。但那些像我一样毕生都在寻求理解量子空间奥秘的人，一直在满怀希望又焦虑地密切留意着我们观察、测量、计算能力的不断进步——期盼着自然告诉我们正确与否的那个瞬间。

图9.3　宇宙背景辐射的涨落。这是现有的宇宙中最久远物体的图像。这些涨落产生于一百四十亿年前。通过统计这些涨落，我们希望能找到证据，来证实量子引力的预测。

图9.4　圈量子引力对背景辐射谱的预测（由实线表示），与目前的实验误差（由点表示）进行对比。由A.阿什台卡、I.阿古略、W.尼尔森提供。

大量原始热量的痕迹肯定也留存在引力场内。引力场，也就是空间本身，肯定像海面一样振动。因此，宇宙引力背景辐射肯定也存在——甚至比宇宙微波背景辐射还要古老，因为与电磁场相比，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。

现在我们用激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器已经直接观测到了引力波，探测器由两个几千米长的仪器臂组成，彼此之间呈合适的角度，激光束可以在三个固定点之间测量距离。当引力波经过时，空间会难以察觉地伸缩，激光会显示出这一极小的变化。[49]引力波由黑洞碰撞这一天体物理事件产生，这些现象由广义相对论来描述，不涉及量子引力。但一个名为LISA的更有雄心的实验正处于评估阶段，可以在大得多的尺度上完成同样的工作：在轨道中放三颗卫星，不环绕地球而是环绕太阳，它们就像是在轨道上追踪地球的小行星。三颗卫星由激光束连接，测量它们之间的距离，或者更好的是当引力波经过时测量距离的变化。如果LISA能够启动，它应该不仅可以看到由星体和黑洞产生的引力波，还能观测到接近大爆炸时产生的原始引力波的背景辐射。这些波应该可告诉我们量子反弹的信息。

在空间细微的不规则表现中，我们应该能够发现一百四十亿年以前宇宙起源之时发生的事件的痕迹，并且确认我们关于空间和时间本性的推论。