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不难说明许多背景独立的量子引力理论都有突现的满足马科普洛发现的那些条件的粒子。但那些粒子是什么呢？它们对应于我们见过的什么东西吗？
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这个问题乍看起来很难，因为圈量子引力预言的量子几何非常复杂。粒子态联系着三维空间里的图。空间是背景，但除了本身的拓扑而外不具有其他性质；所有关于几何度量的信息——如长度、面积和体积——都来自那些图。但因为图必须画在空间，理论就有很多额外的信息包含在其中，而它们似乎与几何无关。这是因为图在三维空间里可以通过无限多种方式纽结、连接和缠绕。
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图的纽结、连接和缠绕有什么意义呢？这个问题从1988年起就伴随着我们。我们一直不知道它们到底意味着什么。马科普洛的方法使我们更急迫想知道问题的答案。答案突然来了。
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去年春，我偶然看到一个年轻的澳大利亚粒子物理学家的论文，他的名字令人难忘，叫比尔森-汤普森（Sundance O.Bilson-Thompson）。他在文章里展示了一根简单的丝带辫子，准确把握了我在第五章讲过的粒子物理学的前子模型的结构特征。（回想一下，这些模型假定所谓的前子为质子、中子和标准模型认定的其他基本粒子的基本构成。）在他的模型里，前子就是丝带，不同类型的前子对应于沿不同方向缠绕或未缠绕的丝带。三根丝带可以缠绕在一起，不同的缠绕方式正好对应于标准模型的不同粒子。112
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我一看这篇论文，就发觉它是我们需要的思想，因为比尔森-汤普森研究的缠绕都会出现在圈量子引力中。这意味着在量子时空里图的不同纽结和缠绕方式必然是不同类型的基本粒子。所以，圈量子引力不但是关于量子时空的——它已经包含了基本粒子物理学。假如我们能发现在理论中运行的比尔森-汤普森游戏，它恰好就该是基本粒子物理学。我问过马科普洛，他的缠绕是否就是她的相干激发态。我们请比尔森-汤普森合作，经过几次失败的开始后，我们才明白这一点其实一直都是成立的。依靠几个小假定，我们发现了一个前子模型，描述了一大类量子引力理论中的最简单的类粒子态。113
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结果引出了很多问题，回答它们是我当前的主要目标。它是否好到能为即将在CERN巨型重子对撞机（LHC）做的实验给出明确的预言，现在还说不准。但有一点是清楚的。弦理论不再是能统一基本粒子的量子引力的唯一方法。马科普洛的结果意味着许多背景独立的量子引力理论都包含着以突现状态存在的基本粒子。而个别理论，如圈量子引力，不会引出众多可能理论形成的景观。相反，它似乎导致唯一的理论，要么与实验一致，要么不一致。最重要的是，它使我们不必像苏斯金等人宣扬的那样（第十一章），需要求助人存原理来修正科学方法。传统方法做的科学正在前进着。
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坦率地说，物理学的五个基本问题确实有着不同的解决方法。除了弦理论而外，基本物理学领域在几个方向上迅速进步，其中（不仅仅）包括因果动力三角化和圈量子引力。正如任何健全的科学领域一样，实验与数学之间存在着强烈的相互作用。虽然从事这些研究纲领的人（大约300个左右）不像弦理论那么多，还是有很多人在挑战科学前沿的基础问题。20世纪向前的几大步是更少的几个人迈出的。当科学要发生革命时，重要的是思想的质量，而不是信奉者的数量。
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不过，我想说明的是，在这个新的后弦理论的氛围里，没有排斥弦理论研究本身的东西。正如我前面讲的，它所依赖的思想——场与弦的对偶性——同样也是圈量子引力的基础。将物理学带进当前危机的不是这个中心思想，而是它在背景相关的条件下的一种特殊的实现——就是那种条件，将它与一些危险的概念捆绑在一起了，如超对称和更高的空间维。不同的弦理论方法——更适应背景独立等基础性问题和量子引力的诸多问题的方法——竟然可以不是最终发展的一部分，这是没有理由的。但为了认识这一点，弦理论需要在开放的氛围下发展，将其作为若干思想之一，而不要预先对它最后的成功或失败抱任何假想。新物理学精神所不能忍受的是，不顾任何证据而假定某个思想一定会成功。
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虽然量子引力理论家们都为今天的进步感到兴奋，他们还是强烈期待未来至少会带来几个惊喜。量子引力的人们不像两次超弦革命期间意气风发的弦理论家，他们很少相信自己已经将最终的理论把握在手了。我们意识到，量子引力的背景独立方法的成功是完成爱因斯坦革命必须迈出的一步。他们证明，可以找到一种和谐的统一量子理论和广义相对论的数学和概念的预言。这种预言是弦理论拿不出来的，凭着这个框架，我们可构建一个能全面解决我在第一章列举的五大问题的理论。但我们也很清楚，我们并没有胜券在握。即使有最近的成功，还没有哪个思想看起来像是真的。
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我们重温物理学的历史，会看到一个突出的事情：当正确的理论最终被提出时，它会很快赢得胜利。少数真正的好的统一思想是以动人、简单和唯一的方式出现的，它们没有众多的选择和可以调节的特征。牛顿力学由三个简单定律确立；牛顿引力由一个带常数的公式决定。狭义相对论是一出现就完整的。完全建立量子力学经历了25年，但它从一开始就与实验同步发展着。自1900年以来，学科的许多关键论文要么解释最新的实验结果，要么为即将完成的实验做出明确的预言，广义相对论也是同样的情况。
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因此，所有成功的理论都会产生实验结果，它们很简单，能在几年内得到检验。这并不意味着理论可以精确求解——多数理论都不可能。但它的确说明物理洞察直接导致了新物理效应的预言。
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不管你想怎么说弦理论、圈量子引力和其他方法，它们都还没有达到那个前沿。通常的借口是说那个尺度的实验还无法实现——但我们已经看到，事情不是这样的。因此一定还有其他原因。我相信我们还缺失某个基本的东西，我们还在做着错误的假定。那样的话，我们就需要将错误的假定找出来，用新的思想来取代它。
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那错误的假定会是什么呢？我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质。我们已经讨论过第一个；我发现，新的量子力学思想很可能最近已经在量子引力研究的驱动下提出来了。但我强烈感到关键问题还在于时间。我越来越觉得量子理论和广义相对论在深层上都把时间的本质弄错了。只结合它们是不够的。还有一个更深层的问题，也许要追溯到物理学的起源。
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17世纪初，笛卡儿和伽利略做出了最奇异的发现：你可以画一张图，用一个轴做空间，另一个轴做时间。于是，穿过空间的运动成为图上的一条曲线（图15-4）。在这种方式下，时间仿佛成了另一维空间。运动被冻结了，匀速运动和变化的整个历史呈现在我们面前就像是静止不变的。硬要我猜想的话（猜想也是我谋生的手段），我想罪魁就在这儿。
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我们需要寻求解冻时间的方法——不用将时间转化为空间来表示。我不知道该怎么做。我想象不出有什么数学可以不把世界表现为永久冻结的样子。表示时间非常困难，因而时间的表示很可能就是我们失去的一环。
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有一点很清楚：在弦理论的约束下思考这种问题，是不可能有什么结果的。因为弦理论仅限于描述在固定背景的时空几何中运动的弦和膜，对那些想开辟新天地、考虑时间和量子理论本质的人，它是无话可说的。背景独立方法提供了一个更好的起点，因为它们已经超越了经典的空间和时间的图景。而且，它们很好定义，很容易把握。还有一点好处是，它所用的数学很接近有些数学家已经用于探索时间本质的数学——即所谓拓扑斯（topos）理论的逻辑方法。
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图15-4 笛卡尔和伽利略以来，在时间中展开的过程被表现为以另一维代表时间的图中的一条曲线。时间的这种“空间化”很有用，但可能的问题是它代表了一个静止的、没有变化的世界——一个冻结的永恒的数学关系的集合
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关于如何表示时间而不将其转化为空间的一维，我明白一点，那就是它也出现在其他领域，从理论生物学到计算机科学，甚至还有法学。为了激发新的思想，哲学家翁格尔（Roberto Mangabeira Unger）和我在圆周理论物理研究所组织了一个小规模的学术讨论会，把相关领域的思想家们都请来讨论时间问题。那两天是我这几年最兴奋的日子。114
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关于这一点我不想多说了，因为我想接着讲一个不同的问题。假定有一个野心勃勃的年轻人，他有着创新的头脑和坚韧，想深入思考那五个大问题。看到我们在那些问题遭遇的彻底失败，我不能想象他那样的人会甘愿陷入眼下的那些研究纲领。显然，如果弦理论或圈量子引力本身就是答案，那我们现在就该知道了。它们也许是起点，也许是答案的部分，也许包含着必要的教训。但正确的理论必须包含新的元素，也许只有我们雄心勃勃的青年才有能力去寻找它们。
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我们这一代为年轻的科学家们留下了什么呢？思想和方法，他们大概不想用了；还有不同方向的局部成功的故事，结果却是未能完成爱因斯坦百年前开创的事业。最坏的情形是，我们将他们拉回来，要求他们继承我们的思想。于是，本书最后部分的问题是我每天早晨都问自己的问题：我们是不是尽力支持和鼓励年轻科学家——也包括我们自己——要超越我们在过去30年做的事情，去追求真正能回答物理学五大问题的理论？
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物理学的困惑 [:1700942625]
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物理学的困惑 第四篇 向经验学习
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