1700943657
1700943658
但没有谁能救量子引力。人们尝试过所有的近似方法。因为粒子物理学的标准模型是有效的，许多方法就是为了探究其不同特征才发展起来的。这些方法一个个都用到量子引力问题，但每一个都失败了。不管怎样组织引力波的量子理论，只要考虑了它们相互作用的事实，就会产生无穷大量。不管怎么处理，那些无穷大都不会消除。尽管又经过了多年，发表了更多的文章，出现了更多的博士，举行了更多的学术会议，情况依然如故。到1974年，人们终于明白了，用背景相关方法来结合广义相对论与量子理论是没有意义的。
1700943659
1700943660
然而，背景相关方法确实可以做一件事情。原先是为了认识量子理论对引力波的影响而将引力量子化，现在我们可以把问题反过来，看引力对量子现象会有什么影响。为此，我们可以研究量子粒子在引力作用下的时空（如黑洞或膨胀的宇宙）中的运动。自20世纪60年代以来，这方面取得了很多进展。这是一个重要方向，因为有的发现引出了后来的方法（如弦理论）需要解决的疑难。
1700943661
1700943662
第一个成功是预言了在引力场迅速变化时会生成基本粒子。这个思想可以用于迅速膨胀的早期宇宙，引出了我们今天熟悉的关于早期宇宙的预言。
1700943663
1700943664
这些计算的成功激发了个别物理学家去尝试研究更难的问题，即黑洞对量子粒子和场的影响。这儿的问题在于，虽然黑洞占据着一个急剧演化的时空区域，那个区域却隐藏在视界后面。所谓视界是光线静止的一个叶面，它标志着在那个界线内部的所有光线都会被拉向黑洞的中心。于是，没有光线能从视界背后跑出来。从视界外面看，黑洞是静止的，但一旦进入视界，那个区域的事物就被拉向越来越强大的引力场。它们终结于一个奇点，那里的事物都是无穷，那里的时间停止了。
1700943665
1700943666
联系量子论与黑洞的第一个关键结果是贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）在1973年发现的，这个以色列小伙子是惠勒（John Archibald Wheeler）在普林斯顿的研究生。他惊讶地发现黑洞有熵。熵是无序的度量，有个著名的定律（热力学第二定律）说，封闭系统的熵永远不会减小。贝肯斯坦担心的是，假如他拿一个充满热气体的盒子——它会有很高的熵，因为气体分子的运动是随机和无序的——将它扔进黑洞，则气体再也回不来了，于是宇宙的熵将减小。为了挽救第二定律，贝肯斯坦假定，黑洞本身应该有熵，当气体盒子扔进去时，它的熵会增大，这样整个宇宙的熵才不会减小。他通过几个简单的例子就发现了黑洞的熵必然正比于包围它的视界的面积。
1700943667
1700943668
这引出一个问题。熵是随机性的度量，而随机运动是热的。难道说黑洞也有温度？一年后，1974年，霍金才证明黑洞实际上肯定是有温度的。他还确立了黑洞视界面积与熵之间的精确比例关系。
1700943669
1700943670
霍金还预言了黑洞温度的另一方面特征，对我们后面的讨论很重要，即黑洞温度与其质量成反比。这意味着黑洞行为和普通物体不同。对大多数事物来说，为了将其加热，需要输入能量，“为火焰添加燃料”。黑洞行为正好相反，给它添加能量或质量，可以使它更大，但也使它变冷了。34
1700943671
1700943672
从此，引力的量子论的每一次努力都要面对这个奇妙的挑战：如何根据第一原理解释黑洞的熵和温度？贝肯斯坦和霍金把黑洞看作量子粒子在其中运动的经典的固定背景，然后基于与已知定律的一致性而进行论证。他们没有把黑洞描述成一个量子力学体系，因为那只能在时空的量子理论下才能做到。因此，任何引力的量子理论的问题就是要让我们对贝肯斯坦熵和霍金温度有更深刻的认识。
1700943673
1700943674
第二年，霍金发现那些结论还有一点疑惑。因为黑洞有温度就会像任何热体一样产生辐射。但辐射会从黑洞带走能量。只要有足够的时间，黑洞的所有物质都将转化为辐射。当黑洞失去能量时，质量会减小。而根据刚才描述的性质，它失去质量会加热，所以黑洞会辐射得越来越快。到过程的最后，黑洞收缩到普朗克质量，因而需要引力的量子理论来预言它的最终命运。
1700943675
1700943676
但不管最终命运如何，关于信息的命运似乎都是一个难题。在黑洞的一生中，会吸收大量的携带着大量内在信息的物质。可最后留下的只不过是一个小黑洞和大量的随机而不带任何信息的热辐射。难道信息就这样消失了吗？
1700943677
1700943678
这是一个量子引力问题，因为量子力学中有个定律说信息不会丢失。世界的量子描述被认为是精确的，这隐含着一个结论：当所有细节都考虑时，没有信息可以丢失。霍金做了很强的论证，说明蒸发的黑洞会丢失信息。这看来与量子理论矛盾，所以他说自己的论证是黑洞信息悖论。任何可能的引力的量子理论都需要解决它。
1700943679
1700943680
20世纪70年代的这些发现是通向引力的量子理论的里程碑。从那时起，我们要度量一个量子引力方法的成功，就看它在多大程度上回答了黑洞熵、温度和信息丢失等疑难问题。
1700943681
1700943682
大约这时候，人们终于提出一个有用（至少用过一时）的量子引力思想。它涉及将超对称的思想用于引力，结果就是超引力。
1700943683
1700943684
我听过这个新理论的一次早期讲座。那是1975年在辛辛那提召开的一个广义相对论的会议。那时我还只是汉普郡学院的大学生，但还是去了，就想看看人们在想些什么。我还记得芝加哥大学格罗赫（Robert Geroch）的几个精彩演讲，他当时是这个领域的一颗明星，专门研究无限空间的数学。他那美妙的论证赢得了满堂喝彩。接着，会议结束时，一个叫彼德·范·纽文惠增（Peter van Nieuwenhuizen）的年轻博士后做了演讲。他开始就说要介绍一个崭新的引力理论，吸引了我的全部注意力。
1700943685
1700943686
彼德说他的新理论以超对称（当时是统一玻色子与费米子的一种新思想）为基础。从引力波的量子化我们得到叫引力子的粒子，它们就是一种玻色子。但是对具有超对称的系统来说，它必须既是玻色子也是费米子。广义相对论没有费米子，新的费米子必须假定为引力子的超伙伴。“超引力子”不好听，所以改称它们为“引力微子”。
1700943687
1700943688
彼德说，由于从未见过引力微子，我们可以自由设计它所满足的定律。为了让理论在超对称下对称，在以引力子代替引力微子时，力不能改变。这就给定律强加了很多约束，寻求那些约束的解需要很艰辛的计算。有两个研究小组差不多同时完成了那些计算。彼德是其中一个小组的成员；另一组中有我未来在哈佛的导师德赛（Stanley Deser），他当时正和超对称的创立者之一朱米诺一起工作。
1700943689
1700943690
彼德还讲了这个理论的另一种思想方法。首先考虑空间和时间的对称。普通空间没有特殊的方向，因此其性质在旋转下保持不变。如果我们从一个地方移动到另一个地方，它们也不会改变，因为空间几何是均匀的。于是，空间具有平移和旋转对称性。回想一下我在第四章解释过的规范原理，即在某些条件下对称性可以指示力所服从的定律。我们可以将这一原理用于空间和时间对称性。结果正是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦当然不是这样建立他的理论的，但如果他还活着，很可能会以这种方式建立广义相对论。
1700943691
1700943692
彼德解释说，超对称性可以看作空间对称性的深化。这源于一个深刻而美妙的性质：假如把所有费米子转化为玻色子然后又转回来，那么世界还是从前的样子，只是每样事物都在空间移动了一点距离。我不能在这儿解释为什么会这样，但它告诉我们超对称性与空间几何有着某种根本的联系。由此，当我们将规范原理用于超对称时，就会得到一个引力理论——超引力。从这个角度看，超引力是广义相对论的深化。
1700943693
1700943694
我是这个领域的新人，偶然走进了会场。我没有一个认识的人，也不知道彼德的听众对他要说的有什么想法，但我还是留下了深刻的印象。我回家想，那个小伙子如此朝气勃发，实在太好了。如果他说的是对的，那可真的很重要。
1700943695
1700943696
在研究生院的第一年，我选了德赛的课，听他讲新的超引力理论。我发生了兴趣，开始思考，但也感到困惑。它到底是什么意思？它想告诉我们什么？我在那儿结识了一个新朋友，我的同班同学马丁·罗瑟克（Martin Rocek），他也同样感到兴奋。他很快就跟当时在石溪的彼德取得了联系，并且开始与他和他的学生合作。石溪不远，马丁带我去过一次。故事全面展开了，他想给我一个机会，在其中占个好位置。
1700943697
1700943698
那就像得到微软或谷歌的职位。罗瑟克、彼德和我遇到的很多人都在超对称和超引力中有过出色的表现。我相信，在他们看来，我的表现就像一个傻子，放过了好机会。
1700943699
1700943700
对我（我相信对别人也一样）来说，超对称性与空间和时问理论的融合产生了深刻的问题。我原来从爱因斯坦的著作里学习过广义相对论，如果说我理解了什么，那就是将引力与空间和时间的几何结合起来的方法。那个思想成了我的主心骨。这时我听说自然的另一面也把空间与时间统一起来了——那就是存在费米子与玻色子。我朋友这样说，方程也这样说。可不论朋友还是方程都没告诉我它有什么意思。我不懂那个思想，不明白它的概念。作为这个统一的结果，我也许应该更深入地理解空间、时间和引力，理解费米子和玻色子意味着什么。那不应只是数学——我的自然概念需要改变了。
1700943701
1700943702
但事情不是这样的。当我和彼德的学生们在一起时，才发现他们是一群技术娴熟的年轻人，着迷似地做着计算，夜以继日而不知疲惫。他们做的就是构造不同形式的超引力。每一种形式都有比从前更多的对称性，统一着更多的粒子家族。他们在走向一个终极的理论，将把所有粒子与时间和空间统一起来。这个理论只有一个学名：N=8理论，这儿N是混合费米子与玻色子的不同方式的数量。第一个这样的理论——也就是彼德和德赛向我介绍的那个——是最简单的，N=1。欧洲有人做了N=2。我在石溪的一个星期里，那儿的人正向N=4前进，还想达到N=8。
1700943703
1700943704
他们日夜不停废寝忘食地工作，忍受着工作的单调和沉闷，确信他们正在了解某些将给世界带来变化的新生事物。有人告诉我，他正在加紧工作，因为他相信，如果人人都知道构造新理论原来是那么容易，他的领地就将泛滥了。其实，假如我没记错，那群人真的得到了N=4，但在N=8遇到了陷阱。
1700943705
1700943706
他们做的事情在我看来一点儿都不容易。计算枯燥乏味，令人思想麻木。而且，计算还必须完全精确：假如某处丢失一个因子2，那么几个星期的气力都白费了。计算的每一行都有几十项，为了能把一行行计算写下来，他们需要越来越大的本子，很快就用所能找到的最大的绘画本来写了。每页纸都密密麻麻写满了小字，每个本子代表几个月的工作。这令我想起“苦行僧”。我害怕了，呆了一个星期就溜走了。
[
上一页 ]
[ :1.700943657e+09 ]
[
下一页 ]