《现实不似你所见》：量子引力之旅听书笔记-刷新对物理学的认知

一、量子引力理论如何发展而来。这个过程围绕一个问题：世界由什么构成。

（一）古希腊时期

德谟克利特提出，物质存在一个最小的构成单位，叫原子，原子不能分割。他是这样论证的：如果你能把一块物质无限分割，那么最后剩下的只能是没有维度的“点”。但是把无穷多的点拼装到一起却不能还原成任何有维度的东西。因此，分割的极限一定是数量有限且不可再分的粒子。
因此，古希腊哲学家告诉我们，世界由时间、空间和粒子构成。

（二）经典物理

英国科学家法拉第和麦克斯韦发现了电磁场。“场”的发现解释了不相邻物体之间是如何形成作用力的，按照这个猜想，也许引力之间也存在着一种引力场，来传递着引力。

经典物理将构成世界的元素增加为五个：时间、空间、粒子、电磁场、引力场。

（三）相对论

狭义相对论提出时间的相对性原理。由于光速有限而宇宙太大，因此在过去和未来之间，存在着一个既非过去也非未来的“中间区域”，它的长短取决于距离的长短。比如，如果一个人在面前跟你打招呼，这个中间区域只能持续几纳秒。而如果这个人身在火星，这个招呼要经过一刻钟才传到地球，那么这一刻钟时间的“中间区域”既不在过去也不在未来。这证明，时间和空间是紧密不可分的，二者统一成了一个事物：时空。

广义相对论提出了时空弯曲理论。空间的弯曲扮演了引力场的角色。同样，时间也随着引力的大小弯曲，引力大的地方时间流逝得慢，在引力小的地方时间流逝得快。于是，时空与引力场合二为一。

相对论将构成世界的元素缩减为三个：引力场、电磁场、粒子。

（四）量子力学

量子力学发现，能量不是均匀、连续变化的，而是一小包一小包按份分配。这个最小能量包的携带者就是量子。量子是粒子的基本能量单位。以此推论，电磁场能产生电磁波，电磁波能传递能量，而能量又是一包一包传递的，那么，电磁场就变成了一个能量包的集合，也就是量子的集合，所以电磁场可以被“量子化”。由此发现，自然界中出现的每一种粒子都有一个相关的场。所以，粒子和场其实只是一种实体，称为“量子场”。

世界的构成元素缩减为只剩两种：引力场和量子场。

（五）量子引力

量子引力理论致力于融合引力场和量子场，也就相当于融合相对论和量子力学。融合的关键在于空间的大小是否存在一个下限。量子引力理论提出，空间存在一个最小的体积单位，空间就像物质一样，是由粒子积木拼装而成的。

同时，时间的概念消失了。它认为时间只是辅助观测两个物理量的中介，我们一直以来测量的是两个量的相关变化，比如脉搏跳动次数和钟摆摆动次数的相关变化，而从未测量时间本身。时间就像是做几何体画的辅助线。

空间破碎，时间消失，通过这种方式，时空实现了量子化。于是，世界最终的构成要素归结为一种：协变量子场。

二、量子引力带来的颠覆性认知

（一）重新认识时间

时间和热量相似。有时间流逝的一切现象都和热量有关。只有热量区分了过去和未来。热量是所有物理变量中唯一与不可逆现象有关的变量，它就充当了时间的角色。不是时间流逝产生了热量消耗，而是反过来，是热量消耗产生了时间的流逝。

（二）世界万物互联

量子力学发现，粒子只有在相互作用的时候才可以被描述，当它独自一人不发生作用时，它就像幽灵一样不存在于任何地方。可以说，量子世界的基础就是社交。圈量子引力猜想，当两个相隔遥远的空间粒子之间加上一条链接，就能实现瞬间通信，这解释了量子纠缠的问题。早期炙热的宇宙具有足够大的能量，能打开几乎所有粒子之间的链接，万事万物紧紧相连。随着宇宙的冷却，链接开始不断中断，就像是一张揉成一团的纸，慢慢展开铺平，衍生出了现在的时空。万物互联的梦想也许早就写入了宇宙的基因。

（三）宇宙的诞生不是大爆炸，而是“大反弹”。

大爆炸理论认为，宇宙起源于一个体积无限小的奇点。而当把量子引力考虑进来时，空间不存在无限小，奇点这个反常的概念就不存在了。量子引力认为，诞生时期的宇宙由于自身巨大的重量被挤压得极其微小，当到达空间的最小尺度时还在不停地挤压，这时，压力就变成了阻力，像弹簧一样触底反弹，膨胀至今。这个解释完美地避开了“奇点”这个诡异的概念，让宇宙在起始点上变成是有意义的，也是可以研究的。