量子空间 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

版权信息
书名:量子空间
作者:[英]吉姆·巴戈特
译者:齐师傍
ISBN:9787521710540
中信出版集团制作发行
版权所有•侵权必究
献给
献给卡洛·罗韦利和李·斯莫林
谢谢你们把故事托付给我
序言
让我们直奔主题吧：这是一本关于圈量子引力（loop quantum gravity）的书。圈量子引力是当代物理学家尝试发展量子引力理论的方法之一，它触及我们对空间、时间以及物理宇宙的了解的极限。有人希望前沿科学总能写成科普书籍供大众读者消遣，但我要先声明一件事：圈量子引力同所有其他量子引力理论一样，没有得到任何观测或实验证据的支持。
你可能会问我，那你凭什么觉得读者会对这样的理论感兴趣呢？
理由如下。毋庸置疑，在21世纪的开头几十年，我们面临着很多巨大的经济、政治与环境难题，有些还极其顽固，难以处理。但在我们理解时间与空间的本质、理解物理实在的内部构造方面，量子引力理论是我们这个时代最大的科学难题。它讨论的是关于存在本质的“大问题”。解决这个问题不仅需要深厚的科学专业知识，也需要洞察力与灵感出现的独特瞬间，还需要整个物理学史上的人物都无法超越的智力创造性。
原因很简单。如今，我们很幸运，我们拥有两大极其成功的物理学理论。第一个是阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论，它描述了弯曲时空中物质的大尺度行为，告诉我们引力的工作机制：物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何移动。这一理论是如今大爆炸宇宙学标准模型的基础，我们用它描述宇宙的演化：从最初的“开端”（根据如今的证据，大概在138亿年前）到今天。支持该理论的证据有很多，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）以及意大利的室女座引力波天文台（Virgo）探测到的引力波，只是众多证据中最近的一项。
第二个极其成功的理论就是量子力学。量子力学描述了最小尺度——分子、原子、亚原子、亚核粒子尺度的物质与辐射的性质和行为。在量子场论的外衣之下，量子力学的基础是粒子物理标准模型。整个宇宙中可见的组成部分（包括恒星、行星以及我们自身）都是由基础模型中的夸克、电子，以及传递力的光子等粒子结合在一起组成的。标准模型也告诉我们大自然的其他三种力——电磁力、强相互作用力和弱相互作用力是如何作用的。位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）发现了希格斯玻色子，这是支持量子力学的众多证据中最近的一项。
然而，尽管这两个理论都是极为成功的伟大的智力创造，这两个标准模型也充满了漏洞。有很多现象不能用这两个理论解释，也有很多问题是它们无法回答的。它们的成功似乎只带来了一个结果，就是让我们的宇宙变得更为神秘难解，甚至完全匪夷所思。似乎我们了解得越多，理解得就越少。
这两个理论在根本上是不相容的。在艾萨克·牛顿的经典力学中，物质的存在与事情的发生都在一个绝对空间与时间的“容器”中，这个“容器”作为背景而存在。如果我们把牛顿宇宙中的一切事物都拿掉，理论上还应该留下一个空的容器。广义相对论则把这个容器拿掉了：在爱因斯坦的宇宙中，空间和时间是相对的，不是绝对的，而理论则是“背景无关”的。时空是动态的，它之所以存在，是因为它是物质与能量之间物理相互作用的结果。
量子力学虽然有些地方看起来极为奇怪，但其至今提出的一切预言都已被验证。它的表述方式不同于广义相对论：与物质和辐射的基本粒子相关的相互作用，都被假设发生在一个绝对时空的容器之中——正是广义相对论所消灭的那个容器。也就是说，量子力学是背景相关的。
总结一下，我们有一个背景无关的经典（非量子）的时空理论，又有一个背景相关的关于物质和辐射的量子理论。我们最成功的两大物理学理论建立于不相容的时空观上，它们有着不同的结构：广义相对论的时空是在物理学定律的基础上与之共同产生的，而量子力学的时空则是事先预设的、绝对的。
虽然有这么两套互不相容的描述，但据我们所知（以及所能证明），我们的宇宙只有一个。广义相对论和量子理论的不相容性之所以是个问题，就是因为我们相信宇宙在诞生初期（大爆炸之时）处于量子尺度，自然应该能被量子力学解释。也许你觉得我们无法解释宇宙的起源以及其极早期的状态也没什么，但鉴于物理学在近百年里取得了如此辉煌的成就，我们理当对它有更高的期望。我们需要一个量子引力理论。
看到这里，你开始感兴趣了吗？
中国古代哲学家老子曾经说过：“千里之行，始于足下。”要想得到量子引力理论，第一步就是要认识到，要想将量子力学与广义相对论统一起来，我们需要找到一种新的时空结构，即一种新的看待时空的方式，这种方式要能同时在各种尺度上与物理学理论兼容。
有了这样一个目标，下一步就是选择走哪条路了。我们是从预设绝对时空结构的量子力学出发，还是从时空与之共同产生的广义相对论出发呢？
在过去的40年中，关于这两条路孰难孰易的判断分歧，已经将理论物理界分成了水火不容的两派。如果你尝试梳理一下所有尝试发展量子引力理论的方法的来龙去脉，就会发现这条分界线是清晰可见的，它分成了本质上不同的两支：一支是弦论，一支是圈量子引力理论。两派之间的差异并不是广义相对论研究者与粒子理论物理学者之间的差异，因为不管哪一派都频繁地借用了广义相对论与量子场论的思想与技巧。
然而，不得不说，理论物理学界如今正为粒子理论物理学家所主导，而粒子理论物理学家确实更倾向于弦论。在过去的20年中，擅长公关的弦论研究者撰写了大量的大众科学书籍，因此几乎没有读者意识到还有另一条通往量子引力理论的路。比方说，就在近期的一本关于引力的科普书中，圈量子引力仅出现在一个脚注里。这一现象的形成有多个原因，我会在下文中讨论其中一部分。
这本书讲的是一条少有人走的路。它从广义相对论出发，借用了量子色动力学（QCD）中的一些思想，也包含致力于让结果与量子场论相容的探索。在路的终点，我们会看到空间的结构变成了量子的，而非连续的。就像量子力学中的物质和辐射一样，它是一块一块的。这一结构是一种由互相连接的引力“圈”形成的“自旋网络”系统。这些圈的形状有根本上的限制，它定义了普朗克长度尺度上的面积量子和体积量子（普朗克长度约为1.6×1 ............

书籍插图：

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