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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877002]
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25亿维，科技溶解下的空间
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在我们生活的今日世界，技术突破了低维空间生活的固有限制。拿手机来说，我能拿起手机，马上同别人交谈。这是因为70亿世界人口中的50亿人拥有手机。科技已经有效地溶解了空间。站在手机的观点上看，我们生活在一个25亿维的空间，我们的邻居几乎包括了全部人类。
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当然，互联网也起了同样的作用。分隔人类的空间被互联的网络溶解。本质上看，每个人都在相互靠近。实际上，我们共同生活在一个高维空间中。越来越多的人几乎整天就生活在这个高维世界。要完全实现这一点，我们只需再加些虚拟现实技术——比如，打手机时，呼叫人的全息影像就会马上出现。不论呼叫人身处何处，你的全息影像也会出现在他们眼前。
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在一个充满无穷可能连接的高维世界，你将要面对比三维真实世界多得多的选择。我们面临的很多网络世界挑战，正是源于这片急速扩张的可能性之海。许多流行的社交工具，正是为了探索并管理这些可能性。
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想象一个在高维世界中长大的孩子，这个世界中没有日常的空间。他会认为自己的世界是个巨型网络。网络连接处的流体系统或动力系统，使得人与人之间只有一步之遥。现在，假设有人拉了系统的电闸。因为供电不足，网络中的居民们从高维世界跌入了电力要求不高的低维世界。他们发现，自己实际生活于一个三维空间，大部分人被空间隔开。一个人周遭邻居的数目从50亿降到了区区几个。人与人之间的距离几乎都瞬间变得很远。
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以上假想其实是个隐喻，代表了一些物理学家当下的空间观。我们（对，我也是其中一员）相信空间是一种假象。类似手机网络或互联网的动态网络，才是构成世界的真正相互关系。我们之所以会感知空间这个假象，是因为网络中的大部分连接被关闭了，事物间的距离也随即变得很远。
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以上图景由一类量子引力理论产生。在这类理论中，时间是基本的，但空间不是。这些理论假定存在一种基本的量子结构——它的定义独立于空间。这类理论的题中之义在于空间是演生的，如同热力学演生于原子物理之中。这类理论是背景独立的，它们不需要假设固定背景几何的存在。相反，理论中的第一性概念是图或者网络，这些概念的定义不需要用到空间。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877003]
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矩阵模型，当理论独立于空间
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第一个得到发展的此类理论名为“因果动态三角刨分”（causal dynamical triangulations），它由杨·安别恩（Jan Ambjørn）和蕾娜特·罗尔（Renate Loll）创立，并由他们的合作者优化。[2]紧接着这一理论的是“量子关系图”（quantum graphity），之所以这么叫是因为这个理论认为自然的基础是关系图。它由芙蒂尼·马可波罗（Fotini Markopoulou）[3]创立，并被她的合作者们进一步探索。[4]这个理论与我前面给的简单图像——空间由关掉连接的网络演生而来，极为贴合。第三个理论由切赫·霍拉瓦（Petr Horava）引入。[5]霍拉瓦理论中存在一个基本的全局时间，但其中的空间不是演生的，这一理论可以用来描述一类名为“矩阵模型”的弦理论。[6]
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旧的背景独立理论假设时空作为整体——就像块状宇宙图景中那样，必须从更加基本的自然描述中演生出来，时间和空间在理论中都不是第一性的。这类理论包括圈量子引力论、因果集合以及某些弦论。但上述几种新方法都认为时间是最基本的。因而，这类方法与旧有的背景独立理论并不相同。
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新方法和旧方法各有成败，值得我们从中吸取教训，这些教训组成了本章的内容。
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许多量子引力理论中都有一个有用的隐喻。它们假设空间不是连续的，而是一个由离散点组成的格点（见图15-1）。粒子处于格点的节点上，它们的运动就是在相邻节点间反复跳跃。仅当两个粒子相邻时，它们之间才能发生相互作用。如果格点的维度较低，发生作用的粒子数就会很少。当格点的维度增高时，相互作用粒子数也会增加，这和前文的邻居例子一样。我们可以把光想象为一个格点粒子，它沿着格点跳跃，不断从一个节点移到邻近的另一个节点。这样一来，远距离的光传输一定会包含许多次跳跃，因而会花很长时间。
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图15-1 格点状的空间
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一个粒子只能处于一个节点之上，粒子的运动就是节点间的跳跃。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877004]
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世界是一个动态的关系网
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现在，让我们考虑一个包含着很多连接的网络世界。较之现实世界，网络世界的物体更紧密地挨在一起。两个物体间的间隔步数比现实世界少，两个节点间的信号传播时间比现实世界短。
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新宇宙学的原理之一就是作用的双向性。如果网络告诉粒子如何运动，那么粒子的运动是否也将告诉网络如何变化？由此问题导出的现实世界图像类似人类的社交网络。世界是一个动态的关系网；网络上生活的个体以及网络自身的结构都会发生演化。这便是背景独立量子引力理论眼中的世界。
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圈量子引力论是最早、最成熟的背景独立量子引力理论。让我们从它讲起。在圈量子引力论中，空间被描述为一张动态的关系网。人们用图来描述典型的空间几何量子态。每个图含有许多条边线，边与边之间通过节点或顶角相连（见图15-2），我们通过边线两头的节点关系来标注不同的边线（边线表示了节点间的第一性关系）。具体的记号可以是整数（也可以标注节点，但它们描述起来更为复杂，此处不赘述），在图15-2中，我们给每条边线标上一个整数。
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图15-2 典型的空间几何量子态所对应的图
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回想一下，在量子力学中，原子的能量是量子化的，每个态占据一个分立的能级，所对应的能量均为定值。而在圈量子引力论中，空间的体积是量子化的；量子态只能拥有分立的体积。空间的表面积和体积一样，也是量子化的。[7]圈量子引力论准确地预测了空间的体积谱和表面积谱。或许，我们可以观测到这些谱的后继效应，例如，它们精确地预测了小型黑洞的辐射谱，而这些辐射或可被观测。[8]
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让我们来看一件钢打制的器物，比如，缝衣针。它看似光滑，但我们知道，它由一个个的原子排列而成。如果站在原子的尺度来看缝衣针，我们发现金属的光滑性消失了。我们能看到一个个名为原子的离散单位。它们一个连着一个地正则排列。空间也是一样。它看上去“光滑”、连续。不过，如果圈量子引力论所言为真，那么空间也由离散的单位构成。我们可以把这些离散单位当作空间的“原子”。如果我们真能对普朗克尺度进行观测，就会发现光滑的空间也会变成一个“原子”连着一个“原子”的样子。