這幅藝術(shù)概念圖描繪了時空泡沫結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的樣子，這些比原子核還小萬億倍的極微型泡泡永久性處于漂浮狀態(tài)卻又轉(zhuǎn)瞬即逝。
美國能源部費米實驗室是美國最大的大型強(qiáng)子對撞機(jī)研究機(jī)構(gòu)，能將質(zhì)子加速到接近光速，幫助科學(xué)家探索物質(zhì)、空間和時間的奧秘。唐-林肯是費米實驗室的一位資深科學(xué)家，常常向公眾普及眾多科學(xué)知識，其中包括近期出版的《大型強(qiáng)子碰撞機(jī)：希格斯玻色子和其它讓你腦洞大開的粒子的傳奇故事》(約翰-霍普金斯大學(xué)出版社，2014版)。
今年11月份是阿爾伯特-愛因斯坦著名的“廣義相對論”誕生一百周年。廣義相對論是愛因斯坦非凡的科學(xué)生涯中最璀燦的一項成就，它告訴我們空間本身具備延展性，在物質(zhì)與能量的影響下會發(fā)生彎曲和伸展。這一理論顛覆了人類關(guān)于宇宙的傳統(tǒng)認(rèn)識，用黑洞和蟲洞等概念豐富了人類的想像空間。愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言至今為止已經(jīng)通過了所有觀測和實驗的驗證，解釋了眾多科學(xué)現(xiàn)象，尤其是有關(guān)時間流逝、空間幾何、自由落體運動以及光的傳播等問題，例如引力場內(nèi)的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應(yīng)等。
深入了解量子世界
愛因斯坦的廣義相對論在宏觀尺度上令人信服，它完美地解釋了脈沖雙星之間的相互繞行以及水星的近日點進(jìn)動。廣義相對論還是GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵指導(dǎo)理論，如今人們每天都在用到GPS導(dǎo)航。然而，宇宙的開端與黑洞中心附近的地帶實在是截然不同的兩個世界——量子世界。在量子世界里，亞原子尺度的粒子是主角。
那么問題來了。在愛因斯坦的科學(xué)成就進(jìn)入全盛時期時，量子力學(xué)剛剛誕生，因此他與物理學(xué)家尼爾斯-玻爾就廣義相對論是否有悖常理且具概率性的激辯故事就成為科學(xué)界的一大傳奇。愛因斯坦有句名言：“上帝是不會擲骰子的。”然而，不管多么蔑視量子力學(xué)理論，愛因斯坦還是非常清楚地知道他需要了解量子領(lǐng)域。隨著不斷探索理解和解釋廣義相對論，愛因斯坦試圖了解當(dāng)廣義相對論被應(yīng)用到微觀世界時，引力是如何發(fā)生作用的。然而，結(jié)果只能用三個字來概括：很失敗。
搭橋量子世界與相對論
愛因斯坦余生花費了大量心血，企圖找到方法可以將廣義相對論與量子力學(xué)統(tǒng)一起來，可最終還是失敗了。不但他失敗了，之后數(shù)十年所有前赴后繼的科學(xué)家都未能成功。廣義相對論與量子力學(xué)都是20世紀(jì)初的兩大重要物理學(xué)理論，有關(guān)如何統(tǒng)一這兩大理論的基本問題一直是科學(xué)界感興趣的一個話題。科學(xué)家首先面臨的是一個系統(tǒng)性問題：廣義相對論運用的是一套微分方程，它們描述的是數(shù)學(xué)家所稱的平滑可微分的空間。用外行的話來說就是，這意味著廣義相對論的數(shù)學(xué)是平滑的，沒有任何尖銳的邊角。相反，量子力學(xué)描述的是一個量化的世界，例如在這個世界中，物質(zhì)是以離散塊狀出現(xiàn)的，這意味著這兒有一個物體，但那兒沒有，到處都是尖銳的邊角。
液態(tài)水的模擬解釋
為了闡明這些不同的數(shù)學(xué)公式，人們需要用不同尋常的思維深入思考一下日常熟悉的一種物質(zhì)：液態(tài)水。即使不了解它，人們也已經(jīng)對水持有兩種不同的觀點，可以解釋微分方程與離散數(shù)學(xué)之間的矛盾。打個比方，回想一下用手在水里劃過時的感受，那時候你覺得水是一種連續(xù)的物質(zhì)，你手邊的水與周圍的水沒什么兩樣。有可能存在的區(qū)別是水溫的高低，或者水流的速度，但是水的本質(zhì)是一樣的。即使水流不斷涌到你手邊，感覺也幾乎一樣，兩波間隔一毫米或者半毫米的水流之間，除了水還是水。事實上，在水流流動與動蕩的數(shù)學(xué)中，假定的情況是水流中沒有更微小不可分的水。這種數(shù)學(xué)描述的情況就是微分方程，也就是說假定物質(zhì)之間不存在最小距離。
然而，人們都知道事實并非如此，水是由水分子組成。一旦聚焦到小于三埃的距離時，一切都變了。因此，一旦你深入探測更微小的距離時，水就不再是一個可感知的概念。在這個節(jié)點上，你開始探測原子中的真空區(qū)，在這個真空區(qū)中電子會繞著微小而密集的核子旋轉(zhuǎn)。事實上，量子力學(xué)就是建立在這樣一個理念上，即存在最小的物體以及離散的距離和能量。這也是受熱氣體會發(fā)出某種特定波長光的原理：電子在特定能量下做繞行軌道運動，沒有哪個軌道在規(guī)定數(shù)之間。一個正確的水的量子理論必須考慮這樣一個事實：水中存在單個分子，“水”概念中存在最小距離的確有其特定意義。因此，從核心上來說，廣義相對論的微分方程與量子力學(xué)的離散數(shù)學(xué)這兩種理論的數(shù)學(xué)從根本上來說就存在矛盾。
二者能否融合？
二者本身也不是無法逾越的，畢竟量子力學(xué)部分可以通過微分方程來描述。不過，相關(guān)的問題是，一旦有人嘗試將兩個理論統(tǒng)一融合，就會出現(xiàn)無窮大，而當(dāng)計算中出現(xiàn)無窮大時，就意味著可能計算出錯。舉個例子，假設(shè)電子是一種沒有大小的典型物體，然后計算將兩個電子綁到一起需要多少能量。如果這樣計算，就會發(fā)現(xiàn)所需能量是無窮大，而無窮大對數(shù)學(xué)家來說是個無解的難題。可見宇宙中所有恒星發(fā)射的能量再大得驚人，其結(jié)果也不會是無窮大。因此，在現(xiàn)實計算中無窮大是一個很明顯的標(biāo)志，意指數(shù)學(xué)模型已經(jīng)超出應(yīng)用范圍，需要重新審視以尋找可能在簡單模型中忽視的新的物理定律。
在現(xiàn)代科學(xué)中，科學(xué)家也在不斷嘗試解決愛因斯坦曾陷入的同樣困境。理由很簡單：科學(xué)的目標(biāo)是解釋所有的物理現(xiàn)實，從可能的最小物體到宇宙大遠(yuǎn)景。科學(xué)家希望告訴人們，所有的物質(zhì)都來源于一些積木(或許只是一塊積木)，以及它們之間潛存的作用力。在四個已知的自然基本力中，科學(xué)家已經(jīng)研究出三個量子理論，引力的量子理論始終令人迷惑不解。廣義相對論毫無疑問是一個重大進(jìn)步，但是，人們只有研究弄懂引力的量子理論，才能將所有理論整合統(tǒng)一。由于科學(xué)界目前還未有達(dá)成一致的科研方向，有些科學(xué)理念還是取得了一定的進(jìn)展。
弦理論的興起
在這些理念中，最有名的就是描述微觀世界引力的弦理論。弦理論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”(包括像意大利面狀有端點的“開弦”和像呼啦圈狀的“閉弦”)。弦理論中的弦尺度非常小，弦的不同振動和運動就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。打個音樂的比方，電子就像A調(diào)升半音，而質(zhì)子就像D調(diào)降半音。同樣，一根小提琴弦會有許多陪音，單根弦的振動就會產(chǎn)生不同粒子。弦理論的合理性在于，它描述一次振動就是一個引力子，盡管它從未被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，但仍被認(rèn)為是產(chǎn)生引力的粒子。
事實上，弦理論并不為廣大科學(xué)界所接受，有的圈子甚至壓根不承認(rèn)它是一個科學(xué)理論。其原因在于，任何理論之所以被稱為科學(xué)理論，就必須通過實驗來檢驗其對錯。然而，弦理論涉及的尺度之小令其無法獲得實驗證明。不過，一旦未來科學(xué)設(shè)備，如新一代的高速粒子加速器得以研發(fā)，或許能對弦理論進(jìn)行試驗并驗證對錯。另一種解釋量子引力的理念被稱為“環(huán)形量子引力”，該理論能將時空本身進(jìn)行量子化，換句話說，這個模型認(rèn)為存在最小空間以及最短時間。這一前衛(wèi)理論認(rèn)為，光速可能在不同波長上擁有不同數(shù)值。要證實這一理論，就需要光穿行漫長距離以便觀測。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，科學(xué)家計劃利用可在穿過數(shù)十億光年后仍能被觀測到的伽瑪射線爆進(jìn)行研究。
目前的情況看起來簡單，即科學(xué)家關(guān)于量子引力還未形成一個可靠可信的理論，解決過程卻非常艱難。量子的微觀世界與引力的宏觀世界還是相互矛盾，無法用某個理論來統(tǒng)一解釋。不過，現(xiàn)代科學(xué)家都在致力解決這個迄今為止最為困難的問題，或許有一天愛因斯坦未完成的夢想會被實現(xiàn)。
