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所以，背景独立的思想在最广泛的意义上是关于如何做物理的一种智慧：构造更好的理论，在这个理论中，现在假定的东西将在某个新定律下演化，从而得到解释。爱因斯坦的广义相对论就对空间几何实现了这个思想。
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因此，引力的量子理论的关键问题是：我们能将空间没用固定几何的思想推广到量子理论吗？就是说，我们能使量子理论成为背景独立的吗（至少对空间几何而言）？假如能做到这一点，我们将自动融合引力与量子论，因为我们已经把引力作为动力学的时空几何的一个方面。
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于是，有两种方法融合引力与量子论：实现或不实现背景独立性。量子引力领域从1930年起就分化为这两条路线，尽管今天研究的多数方法都是背景独立的。一个例外是当今多数物理学家走的路线——弦理论。
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20世纪最伟大的科学家的最高成就却被多数叫嚷着的追随者们忘到了脑后，这种状况的发生，也许是科学史上最奇异的事情。但我们必须在这儿讲这个故事，因为它对我在绪言里提出的问题是至关重要的。其实，你大概也感到奇怪，既然爱因斯坦的广义相对论得到了普遍认同，为什么还有人想脱离它的核心原理而另创什么新理论呢？答案也在于一个故事，和本书讲的其他许多故事一样，也从爱因斯坦开始。
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1916年，爱因斯坦已经认识到引力波存在并携带能量。他立刻注意到，为了与原子物理学相容，引力波携带的能量也应该用量子理论来描述。在关于引力波的第一篇论文里，爱因斯坦说，“看起来，量子理论不仅会修正麦克斯韦的电磁理论，也必将修正新的引力理论。”30
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不过，虽然爱因斯坦第一个提出了量子引力问题，他最深刻的见解却被那时以来的多数研究者忽略了。怎么会这样呢？
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真有一个理由。那时候，还没人知道如何将正在发展的量子理论用于广义相对论。相反，通过间接的路线倒是有可能取得进展。想把量子力学用于广义相对论的人面临着两个挑战。除了背景独立性，他们还必须把握广义相对论是场论的事实。就是说，空间几何有无限多种可能，从而有无限多个变量。
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我在第四章讨论过，当量子力学刚完全建立，物理学家就将它用于场论，如电磁场。它们是建立在固定时空背景的理论，因此没有引出背景独立性问题。但物理学家从中学会了把握无限多个变量的问题。
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量子场论的第一个成功是QED，是麦克斯韦电磁论与量子论的统一。值得注意的是，1929年，量子力学的两个创立者，海森伯和泡利，在他们的第一篇QED论文里，已经在考虑将他们的工作推广到量子引力。他们显然觉得问题不是太难，因为他们写道，“引力场的量子化——从物理学的角度看是必然的——可以用完全类似于这里的形式来实现，而不会遇到任何新的困难。”31
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75年过后，我们对那样两个杰出人物如此低估量子引力问题的困难，只能感到惊讶。他们在想什么呢？哦，我知道了，因为自那时以来很多人都有同样的思想，还被它彻底引向了死路。
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海森伯和泡利想的是，当引力波很微弱时，可以看作在固定几何下的扰动的微澜。假如在一个宁静的早晨向水池扔一颗石子，它会在平静的水面的固定背景上激起微波。但是，如果在风雨大作的日子看海湾的汹涌波涛，就不能再把它当作对某种固定东西的扰动了。
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广义相对论预言宇宙中存在那样的区域，其时空几何在狂乱地变化着，就像拍岸的惊涛。但海森伯和泡利认为，先考虑引力波极其微弱的情形会简单一些，可以将波看作固定背景里的小波动。这样，就可以运用他们为研究电磁场（固定背景下运动的场）发展的方法。将量子力学用于微弱的自由运动的引力场确实不难。结果，每个引力波都能以量子力学的观点视为一个粒子，叫引力子——类似于作为电磁场量子的光子。但是接下来他们遇到了大问题，因为引力波会相互作用。它们可以与任何具有能量的事物发生作用，而它们本身也携带着能量。电磁波没有这样的问题，因为尽管光子与电荷和磁荷作用，它们本身不带荷，因而没有相互作用。两种波之间的这一重要差别正是海森伯和泡利忽略了的东西。
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如何描述引力子的自相互作用，一直是一个难以攻克的难题。我们现在知道，失败的原因是没有认真考虑爱因斯坦的背景独立性原理。一旦引力波相互作用，就不能再认为它们是在固定背景里运动。相反，它们在运行中改变了背景。
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20世纪30年代就有几个人明白了这一点。俄罗斯物理学家布隆斯坦（Matvei Petrovich Bronstein）1935年的学位论文大概是关于量子引力的第一篇博士论文。还记得他的人都认为他是当时前苏联最有才华的两个物理学家之一。他在1936年的一篇论文里写道，“为了消除这个逻辑矛盾，必须屏弃我们寻常的时间和空间概念，以更深层的概念来修正它。”接着，他引用了一句德国俗语：“让怀疑它的人付出代价吧。”32布隆斯坦的观点得到了同样才华横溢的法国青年物理学家所罗门（Jacques Solomen）的拥护。
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今天，几乎每个认真思考量子引力问题的人都会赞同布隆斯坦，可已经过了漫长的70年。原因之一是，即使像布隆斯坦和所罗门那样聪明的头脑也没能逃脱时代的疯狂和愚昧的厄运。布隆斯坦在写了那篇论文一年后，就被前苏联内务人民委员会（NKV D）逮捕了，1938年2月18日被处死。所罗门是法国抵抗组织的成员，1942年5月23日被德国人杀害。他们的思想被历史遗忘了。我一直在研究量子引力，但写完本书才了解到他们。
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布隆斯坦的工作被遗忘了，多数物理学家回头去研究量子场论。我在第四章说过，QED直到20世纪40年代末才发展起来。这一成功激发了一些人重新担负起统一引力和量子论的挑战。于是立刻形成两个对立的阵营。一个随布隆斯坦，重视广义相对论的背景独立性；另一个忽略背景独立性，走海森伯和泡利的路线，将量子论用于在固定背景下运动的引力波。
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因为背景独立性是广义相对论的一个原理，将它融人与量子论的统一应该是合理的。但结果表明，事情并不那么简单。有些人——如英国物理学家狄拉克（P.A.M.Dirac）和德国人贝格曼（Peter Bergman，曾在普林斯顿做爱因斯坦的助手，从而开始了学术生涯）——确实尝试过构造一个背景独立的量子引力理论。他们发现那真是一项艰巨的任务。直到80年代中期，这些努力才有了一点成果。不过那时以来，以背景独立观点来认识量子引力已经有了很多进步。多数量子引力的理论家在以不同的背景独立方法进行研究。这些事情我们后面还要讲，因为它们是弦理论的最重要替代者。
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但是，当人们在50年代开始走上量子引力路线时，这些前景还没显露一丝迹象。与QED的大踏步前进比起来，背景独立方法取得的有限进展就显得微不足道了。于是，从80年代末以前，多数人都选择了别的路线，试图将QED方法用于广义相对论。这大概是可以理解的。QED建立之后，人们对背景相关的量子理论有了很多认识，但没人知道背景独立的量子理论（假如有的话）像什么样子。
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这是引向弦理论的路线，所以我们需要认真追溯。因为理论在30年代就被人遗忘了，所以还要重新发现。后来，引力子理论在德维特（Bryce DeWitt）的博士论文里重新出现了，40年代他是施温格在哈佛的学生。因为德维特的这个成果和许多其他发现，我们认为他是量子引力理论的奠基者之一。
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可我们前面讲过，引力子理论还不够。如果引力子仅仅在空间运动，引力子理论是很好的。但如果引力子真的只是那样，就没有引力了，当然也就没有动力学的或弯曲的几何。所以，这不是广义相对论或引力与量子理论的统一。50年代初，当人们又开始研究它们的相互作用时，引力子理论的问题再次出现。从此以后直到80年代，人们为了消除与量子理论原理的矛盾，在引力子的自作用问题上做了大量工作。结果没有一个成功的。
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也许我们应该停下来，想想这在我们的生活中会意味着什么。我们谈了30多年的艰苦劳作，进行了大量复杂的计算。想象一下，假如你整天计算自己的个人所得税，算了一个星期，还不能得到正确的结果，那一定是哪儿出了问题，只是你没发现它。假如你这样过了一个月，你还会让它延续一年吗？那么，假如过了20年呢？再假如周围好几十个人，有朋友，也有对手，都这样过日子，情况会怎样？他们都有自己的生活策略，每个策略到头来都失败了。但是，尝试一个略微不同的方法，或者将两种方法结合起来，也许你能成功。你每年参加一两个国际会议，你把新策略告诉其他疑惑的人。这就是1984年前的量子引力领域的状况。
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费曼是第一个攻击这种引力子理论的人。当然应该攻击。他在QED做过那么好的工作，为什么不把同样的方法用于量子引力呢？60年代初，他离开了粒子物理学，花了几个月的时间来看自己是否能把引力量子化。为了让大家真切感受量子引力那时是怎样的一潭死水，我们来看费曼1962年给妻子的一封信，谈的是在华沙举行的一次会议，他在会上还做了报告：
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我没从会上得到任何东西，什么也没学到。因为这个领域没有实验，一点儿也不活跃，几乎没有最优秀人物做那些事情。结果来了一大群笨蛋……这对我的血压没好处。记得提醒我，以后不要参加任何引力会议！33
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不过，费曼还是取得了很好的进展，澄清了与概率（0和l之间的数）有关的一个技术问题。任何肯定发生的事件，我们说它有概率1。所以，任何所有事件发生的概率为l。在费曼之前，没人能使量子引力的各种事件发生的概率总和为1。实际上，费曼只是在1阶近似下计算了概率之和；几年后，德维特指出了如何将其推广到任意阶的情形。大约1年后，两个俄罗斯人，法德耶夫（Ludwig Dmitrievich Faddeev）和波波夫（Victor Nicolaevich Popov）也发现了这一点。他们不可能知道德维特的工作，因为杂志把他的文章寄给了一个专家评审，而审稿人用了一年多的时间才看完。就这样，人们在一点点地解决问题——但即使概率总和等于1，引力子理论在总体上还是不能运行。
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这项工作带来一些副产品。同样的方法可以用于标准模型赖以建立的杨-米尔斯理论。于是，当温伯格和萨拉姆用这些理论来统一弱力和电磁力时，计算的技术已经具备了。结果比量子引力的好。荷兰理论家特胡夫特（Cerardt Hooft）最终在1971年证明，杨-米尔斯理论作为量子理论是恰到好处的。实际上，特胡夫特和以前的人一样，是为量子引力热身而研究杨-米尔斯理论的。所以，30年的量子引力研究也不完全是浪费，它至少能使我们更聪明地做粒子物理学。
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