難道僅僅是因為在我們宇宙當中比這些理論能夠有效探測的更小的區域裡,我們不知道那裡究竟發生了什麼?
也許是吧。
不管怎麼說,有一位非凡的美國物理學家就是這麼想的。他的名字叫肯尼斯·格迪斯·威爾遜(kennethgeddeswilson),他不再試圖解釋無窮多個更小的領域以得到有關粒子的某個結論,而是認為如此令人頭暈眼花的尺度可能確實是問題所在:人們沒有必要為了能夠討論粒子而考慮更加小的尺度。就像人們在市場上挑揀蘋果而不必去比較原子那樣,威爾遜提出並且證實了未知的東西也能夠被測量,被規定,和被拋到一邊。
這的確有用——事實上威爾遜因為這個貢獻而獲得了一九八二年的諾貝爾物理學獎。
威爾遜並沒有解決無窮小狀況下會發生什麼情形的問題,他只是捨棄了這個問題。通過對未知情況的切除和粗粒化,以前影響場論的無窮的問題不復存在了。
移除無窮的過程有個名字,叫做「重正化」。就像我在前面所說的,它在計算方面的效率非常出色。但是對於渴望理解所有事物的人來說,對於未知並不能簡單地忽略而過。有必要深入下去。尤其在考慮到引力的情況下,這些重正化手段並不起作用。
另一方面,量子場論是關於宇宙真正包含什麼的理論。它們非常精確,真的精確到讓你難以相信,但只能在不考慮時空背景,固定不變,以及引力不對任何東西發生作用時才有用。這不是一個真實的世界。
我們必須找到一個途徑把引力拉回來。
我們必須把引力匯入量子場。
那麼該怎麼做呢?
量子場論斷言只要有場存在,就能產生小塊的能量,或者小塊的物質,它們被稱為「量子」。電磁場的基本量子就是其最小能態的基本粒子即光子和電子。與此類似,強核力場的基本量子是夸克與膠子,引力場(被視為一個假設的量子場)的基本量子是引力子。
在本書的第五部分,你已經聽說了這些詞,但我們當時否定了它。為什麼它們又出現在這兒?因為我們要看看它們究竟錯在哪裡。
我們設想一下引力來自某個類似於你目前所見的所有其他場的量子場,那麼引力子就是這個場的作用力攜帶者。當理論學家在紙上計算這些量子是如何影響其周圍時,他們發現效果就如同時空曲線。
寫在紙上,它們就是引力。
一個很好很有希望的開端。
但是再進一步思考,科學家們發現引力場的量子,就是這些引力子,使得關於引力的明確的理論完全失效。
這可就不是什麼好事情了。
為什麼會這樣?
首先,引力子沒有理由不會彼此相互作用:如果引力子真的存在,它們無論如何要與引力以及其他任何事情有聯絡,也包括它們自身。
其次,作為量子場的基本粒子,引力子也能夠出現在場真空之外的任何地方,導致類似霍夫特和韋爾特曼所要矯正的無限的問題。然而,這一次,引力量子無限無法藉助任何「重正化」手段來移除:霍夫特和韋爾特曼的演算法徹底失敗,威爾遜的方法也無法起作用,因為它忽略了引力子發揮作用的距離。
總之,這意味著在試圖以某個標準的方式將引力匯入量子場時,毛病多多的無限問題隨之而來,並且顯然我們無法對引力視而不見,因為引力子就是引力。
如果引力就是我們剛才提到的一個量子場,如果引力子正確描述了引力在自然界中發揮作用的機制,時空將與這些無限發生作用,並且在各處崩塌。但時空並沒有崩塌,要不然我們就沒法在這裡討論這些了。
有趣的是,儘管如此,並且你或許會認為那些相信引力子存在的人腦子都不太正常,但許多科學家(包括我自己,我會在本書第七部分加以說明)還是相信引力子確實存在,至少是在一個所有人都在努力尋找的更宏大的理論中存在。
現在,既然我們已經談到這些,就讓我們再進一步,這樣你就能夠從一開始就知道,為什麼愛因斯坦的廣義相對論與量子場論無法相容。
引力與時空相關。也就是說,與時間和空間有關。交織在一起的時間與空間。
在量子場論中,從真空中冒出的基本粒子是由它的場本身所構成。在有關引力的量子場論中,因此基本粒子也是由它的場本身所構成。但是這個場是時空。因此其基本粒子應該由空間和時間來構成。
這意味著我們周圍應該有時空的基本小塊存在。任何地方都如此,也就意味著空間與時間都不再是連續的。
更糟糕的是,這些時空基本小塊能夠表現出既是波又是粒子。它們服從量子隧穿,服從量子躍遷……
如果你試圖在腦中構造這幅圖畫,祝你好運。
事實上,如果你是一個普通人,試圖去想想這樣的概念都會讓你的大腦融化。
然而,從大自然的角度,這並不是什麼問題。
真正的問題在於就算我們能夠忘記討厭的無限的問題,所有其他量子場理論能夠如此強大地描述構成我們的各種粒子,全依賴於周圍不存在這樣的時空小塊。
換句話說,這意味著廣義相對論與量子場論所使用的時空概念是不同的。
這是個問題。
一個很大的問題。貌似無法解決。
因此我們只剩下一種奇怪的感覺,感覺自己被禁錮在一個不上不下的地方:人類已經發現了兩種極其有效的理論,一種描述了我們宇宙的結構(愛因斯坦的引力理論——廣義相對論),另一種則描述了我們宇宙所包含的一切(量子場論),但這兩種理論互不理睬,老死不相往來。有很長一段時間,甚至研究這兩個領域的物理學家們也跟著他們的研究物件那樣互不交談。美國理論物理學家理查德·費曼是歷史上最聰明的科學家之一,因其在量子場論的成就而成為諾貝爾獎獲得者,他曾給他太太寫過一封信。「我在這次會議上什麼都沒得到,」他在一九六二年出席了一次引力研討會後這樣寫道,「我什麼都沒學到。因為沒有實驗,這個領域不是那麼活躍,幾乎沒有什麼最好的科學家在這個領域從事研究。結果就是這裡都是些笨蛋(有一百二十六個),而且對我的血壓也不好。下次提醒我不要再參加任何引力研討會!」
然而,因為有了新的技術以及像史蒂芬·霍金那樣的理論物理學家們的工作,科學家們很快就發現再也不能對他們不知道的東西視而不見,來自兩個領域的想法開始流入對方的領域,促成了那些你將會在本書第七部分中體驗到的瘋狂想法的誕生。接下來我將向你一一介紹。