我们探索量子引力的方向错了吗？

　　电子具有波粒二象性，可像光子一样用于构建图像或探测粒子大小。
　　在基础层面上，我们经常假设有两种描述自然的方式，每种方式在自己的领域中运作良好，但却似乎无法很好地协同工作。一方面，我们知道构成宇宙的物质和能量，从恒星到原子再到中微子到光子，这一切都需要量子描述才能提炼它们的性质和行为。标准模型是量子物理学的顶峰，可以很好地描述我们在宇宙中测量到的每一次相互作用。
　　另一方面，我们也有广义相对论：我们的引力理论。然而，这基本上是一个经典理论，物质和能量的存在使空间结构弯曲，弯曲的空间反过来又告诉物质和能量如何穿过这个空间。虽然每一种理论在各自的有效性范围内运作良好，但仍有很多问题的解答，需要对两者均有透彻的了解。由于它们的根本差异以及根本上的不兼容性，我们可以想象的许多问题目前都超出了我们的能力范围。
　　质量弯曲空间结构以及空间随时间动态演化的想法对于爱因斯坦广义相对论的概念至关重要，但这个概念对量子物理学并不＂友好＂。
　　这并不一定意味着物理学有任何问题，但又似乎在表明我们目前对事物的理解至少是不完整的。为了揭示我们知道什么、我们不知道什么，以及未来道路的可能性，来与物理学家李斯莫林深聊一番。斯莫林是量子引力领域的先驱，他的最新著作《爱因斯坦的未竟革命》详细介绍了对目前已知的量子宇宙之外的探索。
　　记者：你说量子场论和标准模型，以及引力的广义相对论，不能从根本上描述宇宙的原因是什么？
　　斯莫林：就是不能。你可以很容易地想到一些猜想没有给出一致预测的实验。更重要的是，原则上，量子物理的基础与广义相对论的基础相矛盾，是有原因的。我们需要让这些东西在原理层面上结合起来，因为它应该是自然的基本理论。
　　当然有实验的原因，也有原理的原因。在实验和原理之间，还有很多技术问题。这些技术问题也是概念冲突的结果：原理的冲突。
　　记者：能举一个例子吗？
　　斯莫林：当然。作为量子力学一部分的＂波函数坍缩＂在动态时空中是什么样的？哪一个根据广义相对论中的运动方程演化？
　　记者：爱因斯坦最初的统一想法起初是在几何学上，将经典电磁学加入广义相对论中，现在我们知道这是不可能的，因为我们知道宇宙本质上量子力学的。你写过一本关于＂爱因斯坦未竟梦想＂的书籍。为什么这个梦想是重要的？即便爱因斯坦的最初想法和这个梦想已经不再相关？
　　斯莫林：我不同意你对爱因斯坦最初想法相关性的看法，无论好坏。在科学革命史上，我们对自然的理解发生深刻的变化，而且是在各个可能的范围内发生变化。当你从亚里士多德科学家转变为牛顿科学家时，你对世界的看法在各个方面都发生了巨大变化，这些变化也有很多应用。
　　这里的利害关系是，爱因斯也在二十世纪初开启了两次革命：广义相对论和量子力学。他明白，这两者并不能给出一致的图景。事实上，他相信（我也同意他的看法），量子力学本身并不能给出一致的图景。直接地说，量子力学没有意义：量子力学是在二十世纪二十年代，有他的朋友和同事提出的。
　　盒子内，猫或活或死，取决于放射性粒子是否衰变。如果猫是一个真正的量子系统，那么猫既不是活的也不是死的，而是处于两种状态的叠加状态，直至猫被观察到。
　　所以我们的议程上有两项任务。一个是让量子力学有意义。另一个是修正量子力学理论，使其更优化，使其可以完善广义相对论。所以，我认为这是一个完成的问题。
　　广义相对论在一定程度上很好地涵盖了某些现象。量子力学也在一定程度上很好地涵盖了某些现象。他们都是不完整的。高度不完整。在实验层面，你必须使用一些想象力，但并不完全在普朗克尺度上。有些实验涉及分钟或秒的时间尺度，我们没有明确的预测。但是这场双重革命需要在广义相对论和量子力学两方面来完成，这就是关键所在：这是为了完成革命，因为我们生活在一个概念情境中，这与开普勒和伽利略所面临的情况非常相似，他们是同时代的人，都介于亚里士多德物理学和牛顿物理学之间。他们对某些事情非常了解，但对其他事情却很困惑。这就是我们现在的情况。
　　记者：在量子方面，我听到很多人的论点，与你的观点相反。量子物理学非常适合描述宇宙中的每一种量子现象，只要你不同时折叠量子引力效果。如果我可以将时空视为经典或半经典背景，那么我可以做我的量子场论预测我应该做的所有事情，而不会出现任何错误或不确定性。你对此怎么看？
　　斯莫林：亚里士多德研究的轨道和行星的位置在一千年内精确到千分之一。这令人印象深刻的，但也是错误的。你描述的那种愚蠢的理论……为什么有人会接受这么毫无野心的东西？当然，如果你加入足够多的警告和足够的近似值，你就可以让它发挥作用，我们接受的训练就是让我们这样去做。其中也会产生一些美妙的东西，比如斯蒂芬·霍金对黑洞辐射的预测。这是不错，但那是二十世纪七十年代的物理学；我们想永远做二十世纪七十年代的物理学吗？我确实像在有意引起争端，但是，你知道，我们必须唤醒这些人！
　　测试量子非定域性的第三个方面实验示意图。来自光源的纠缠光子被发送到两个快速的开关，将它们引导到偏振检测器。开关可以非常迅速地更改设置，从而在光子飞行时有效地更改实验的探测器设置。
　　记者：早在2003年，你与Fotini Markopoulou共同撰写了一篇论文，文中展示了量子引力的一般思想与量子物理学的基本非定域性之间的有趣联系。现在，也许我应该为此问你一个设定问题：我们经常说量子物理学从根本上是一个非局域理论。当我们谈论量子纠缠时，我们用它来解释这一点。但批评者会说，没有任何信息比光从一个量子到另一个量子的传播速度更快。这是否会在您的脑海中产生任何冲突？你会说量子力学基本上是非局域的吗？
　　斯莫林：量子力学从根本上说是非局域的，因此，理解量子力学需要在我们对空间是什么的理解上做出很大的修改。而广义相对论需要我们对空间是什么的想法进行很大的修改。因此，这些事情应该放在一起。我们不应该试图忽视这一点做这些事情，然后又忽视这一点做那些事情，我们应该将它们一起解决，一步到位。这就是我从19岁上大学开始就一直在努力做的事情。
　　那篇论文，主要是Markopoulou的想法。它非常巧妙地证明了空间可以是涌现的原则，因此时间可以是基本规律。这就是她所相信的，她也说服了我，这就是我过去20年来一直在努力的方向。时间和因果在底层，并且是基本规律，而空间是次要的、涌现的量，就像空气的压力或地球的温度一样。这就是我们一直在努力做的事情，并且在此过程中我们取得了一些适度的成功。
　　所以我们对世界的体验，随着时间的推移，一个接一个事件地演变，是真实的，这就是世界的真实面貌。从这个基本的、主动的时间和因果概念中，我们将空间作为一个衍生概念，就像从原子运动中产生气体一样。
　　通过从预先存在的系统中创建两个纠缠光子并将它们隔开很远的距离，我们可以通过测量一个光子的状态来＂传送＂关于另一个光子状态的信息，即使是从非常不同的位置。＂量子＂并不一定意味着小；量子效应也可以发生在宏观系统中。
　　记者：所以你强烈支持这种经典的因果概念，一直持续到量子水平。我是否可以认为，这也意味着您不赞同这样的量子力学解释，即不把因果关系作为所有相互作用的基本原则？
　　斯莫林：是的。
　　记者：我不知道是出于意识形态还是实际原因，你说过，现实应该独立于我们这些观察者之外。
　　斯莫林：当然。
　　记者：你回答说＂当然＂。但量子力学历史上的许多人并没有像你这样回答说＂当然＂。你能解释下为什么现实应该独立于观察者之外吗？
　　斯莫林：因为我是一个现实主义者。对我来说，科学的目标是描述自然，好似没有人类处于其中的自然。这并不意味着观察者没有角色。例如，我在过去五年中一直研究的理论——＂观点理论＂——认为，在那个宇宙中真实的事物，是对那个宇宙的看法。彻头彻尾的现实主义者约翰·贝尔曾经说过，＂我们不应该说什么是可观察的，而应该是什么是可看见的。＂所以我一直在研究这个理论，我们有事件，然后有来自过去的信息或新闻，这就是真实的：那些观点。世界的动态不依赖于空间或场中的微分方程，而取决于观点，以及这些观点之间的差异。该理论的基本动态学原理是宇宙的演化使观点尽可能多变且彼此不同。
　　光锥例子，所有光线在时空中可能到达和离开的一个点的三维表面。你在空间中移动得越多，你在时间中移动的就越少，反之亦然。只有包含在你过去光锥中的东西才能影响今天的你；只有包含在你未来光锥中的东西才能被你在未来感知到。
　　记者：所以你有一个最大化或最小化的原则。
　　斯莫林：当然。
　　记者：你可以为我们描述一下吗？
　　斯莫林：没问题。它被称为＂变体＂。它可以应用于许多不同类型的系统，让我们以城市为例。比如一个古老的城市：保存至今的罗马的市中心。想象一下，你给朋友打电话说，＂我迷路了，我在某个角落，我看到周围有这些，有那些。＂现在，罗马是一座拥有许多变体的城市，所以你的朋友会说，＂哦，你在那里，靠近哪里哪里，因为每个角落看起来都不一样。＂罗马是一座高变体的城市。另一方面，有一些郊区城市，在这些城市中，仅通过环顾四周所看到的东西，你不太可能知道自己的位置，因为许多角落彼此相似。所以这可以给你一个例子，说明我们说＂我们想要增加变体＂时想表达的意思。
　　记者：所以，你说＂我们想要增加变体＂的时候，你是否觉得大自然极端化变体呢？
　　斯莫林：是的，我可以把它写成我讨论过的框架内的一个方程式，其中有因果关系，有能量和动量，但没有空间。我们可以构建一个动态理论，随着时间的推移，将系统的变体极端化。我们从中推导出量子力学，以及作为其极限的经典力学。
　　我们为什么要摆脱量子力学？粗略地说，对量子力学有一种原始的现实主义解释，称为导航波理论，是路易·德布罗意在1927年提出的，又大约在1952年由大卫·玻姆重新发明。在那个理论中，有势能，还有另一个新函数波函数，位于势能通常所在的位置。他们通过最大化这个函数的影响推导出薛定谔方程。事实证明，大卫·玻姆发明的这个函数是我们称之为变体的数量的某个限制。这是我工作生活中最大的惊喜之一。
　　量子水平上位置和动量之间固有不确定性的说明。同时测量这两个量的能力是有限的，而不确定性总出现在人们通常最意想不到的地方。
　　记者：当你思考称为变体的数量限制时，你会说，＂我们正在极端化变体数量＂，这对我来说，很像某种类型的熵，某种类型的热力学量。到目前为止，我认识的每个人都试图提出＂重力是涌现的＂或＂空间是涌现的＂或其他一些我们通常认为是基本的量实际上是涌现的概念。我会说物理学的典型观点是，熵是一种涌现的属性，你可以根据所有粒子聚集在一起的微观量子态来计算它。除了你定义为＂变体＂而不是熵的东西，你是否在做类似的事情？
　　斯莫林：粗略地说，是的。但这是一个很长的讨论。因为熵在宇宙学理论中的作用是我们必须弄清楚的一个点。马丽娜·柯尔特斯、安德鲁·里德和斯图·考夫曼撰写了三篇非常棒的论文，包含一些关于远离平衡系统及其与宇宙学关系的重要新见解。
　　记者：我想问一下海森堡和其他很多人的这个想法，就是除非你有某种意义上的我们所说的相互作用——一个量子与另一个量子的相互作用——这是唯一能提供关于宇宙的有意义信息的东西。如果你不进行测量，那么你就没有宇宙的可量化属性。因此，我们所拥有的所有信息都必须来自该行为。我认为，也许比较天真，这从根本上与客观现实的想法背道而驰。事实上，我们无法在海森堡式的现实图景和＂客观现实存在＂的现实图景之间进行任何测量…你有自己的观点，而我不认同，很多物理学家也不认同。如果你无法实验性地解释这些不同的解释，你该如何去讲清楚这些？
　　斯莫林：让我来告诉你我最近是如何看待量子力学的，因为它是新的，对我来说非常令人兴奋。我们的认识，其实是顺着海森堡的一些起初很神秘的引述开始的。你知道海森堡曾说波函数描述不适用于过去。不知何故，波函数是关于未来的，而经典的描述是关于过去的。还有几个人也这么说。弗里曼·戴森详细地解释过这一点。薛定谔也说过类似的、但更深奥玄妙的东西。
　　如果两个粒子纠缠在一起，则它们具有互补的波函数属性，并且测量一个粒子会对另一个粒子的属性施加有意义的限制。
　　最近我一直在和克莱莉亚·贝尔德研究这些问题，我们意识到他们想说的是，在哥本哈根版本的量子力学中，有一个量子世界和一个经典世界，以及两者之间的边界：当事情变得确定，即当量子世界中不确定的事物变得确定。他们想说的是，不确定的事物变得确定，这是自然界中发生的基本事情。这就是＂现在＂。现在的时刻，当前的时刻，所有这些人都说的，科学和物理学中缺少的，就是从不确定到确定的过渡。量子力学、波函数，是对未来的描述，是不确定的、不完整的。经典物理学就是我们描述过去的方式。
　　为什么？因为过去已经发生，发生的事情是确定的，不会改变，因为已经过去了。所以，我们对量子力学有这种不同的思考方式，这似乎很有帮助，我们合作得很愉快。
　　记者：很难不同意这一点。所以，比方说，我们去看惠勒的延迟选择实验。我在想这样一种情况，你发送一个光子，你有一个分束器，光子可以绕着镜子走两条路径，然后会在另一边相遇。或者，你有另一个分束器将它们组合起来，然后你的探测器会看到重组光子的干涉图，或者你不把分束器放在那里，然后你只会得到一个进入探测器的光子。
　　你可以这样做。惠勒的想法是，你可以通过第一个分离器发送光子，让它以两种不同的方式运行。然后你可以将第二个分离器放在那里，也可以不放在那里。在最后一秒，你可以移除存在（或不存在）的分离器，或者你可以插入不存在的分离器来进行尝试，他称之为＂在你测量前捕捉光子即将要采取的行为＂。
　　事后来看，你在探测器上测量到了什么？如果分离器在那里，你就会得到干涉图样。如果分离器不在那里，你只会得到一个光子。基本上，大自然不知道你接下来要做什么。但是一旦你这样做了，大自然就好像一直知道你要做什么。我想，你会告诉我这不是唯一的解释，就是说，交互行为本身就会给你有意义的信息。如果你没有触发任何互动，你就是还没有确定你的现实。你的现实仍然是不确定的，直到你做出一个能够区分不同可能性的测量。
　　按照斯莫林的现实观，过去是确定的、固定的，不受任何量子非决定论的影响。但是，未来是未写就的、不确定的。经典和量子之间的界限由＂现在＂划定。
　　斯莫林：是的，我同意这一点。只是，我们的界线是＂现在＂，＂现在＂是未来与过去的分界线。
　　记者：你说的现在，是＂进行中＂的事情，还没有决定，将在未来某个时候通过互动决定？你是想说，过去的一切都已经决定，甚至也包括那些将划定界限的尚未发生的的测量？
　　斯莫林：所以，那个事件还没有发生，所以，这是非常兼容的。＂现在＂的概念不是一个短暂的瞬间，不是说它必须在这里发生；而是哲学家们所说的＂厚现在＂。因此，有些事件可能会导致某些事情变得确定、或晚或早。所以，我们的＂现在＂可能会曲折很多。至少，这是我们试图理解这些情况的方式。它们不在贝尔德的原始论文中，但我们正在详细梳理所有这些思想实验，并展示如何思考正在发生的事情。
　　记者：这是试图理解现实的基本性质的最前沿想法。你写了很多关于弦理论中的许多想法的非肯定性文章，以及它们如何成为这种占主导地位的理论范式。我注意到你工作中的一个点是，你似乎对可能存在的其他扩展相对不可知：弦理论、超对称、大统一等等。你似乎对这一切都持不可知态度，这是也许与你给人们的大众印象相反。
　　基于点粒子及其相互作用费曼图（上）。将它们转换成它们的弦理论类似物（底部）会产生具有非平凡曲率的曲面。在弦理论中，所有粒子只是一个潜在的、更基本的结构——弦——的不同振动模式。
　　斯莫林：如果人们想对我在2006 年出版的书《物理学的困惑》发表意见，我会希望他们先好好阅读这本书。那段时间有很多焦虑和冲突，我想人们会感到惊讶，但请让我告诉你我的想法。我相信理解量子引力有许多有趣的不同方法，但到目前为止都不完整。大家都设法向我们解释时空的量子描述可能是什么，但他们每个人在某些特征的某个方向陷入了困境。
　　弦理论是一套美丽的设想，但在我看来已经陷入困境。还有圈量子引力，我很幸运在它被提出的时候有过对该理论的研究，但它显然也卡住了。它们都表达了相同的想法：承载力的场（如电磁场）之间的二元性，以及这些场的量子激发看起来像延伸的物体，如弦或环，在蔓延。圈量子引力和弦理论都在不同的背景下表达了该基本猜想。
　　我试图在那本书中表达的是，那本书的初衷是对冲突在科学中的作用的一个案例研究。作为保罗·费耶阿本德的学生，我认为冲突和分歧对科学进步至关重要。那本书就是为了论证这一点，使用了我最了解的案例研究。不过在我和编辑们对这本书的调整下，内容前后对调了一下，我们把案例研究放在第一部分，然后是冲突如何在科学中发挥驱动作用的分析，而大多数人只阅读了前半部分。
　　我所反对的，都是过早的教条主义：过早地相信比证据支持以外的东西。不幸的是，这在科学中很常见。因为我们都想相信我们做了一些好事并发现了一些东西。当时有一种过度乐观的气氛，不过，我认为现在已经消散许多。我试图对弦理论的优点和缺点给出一个平衡的看法。遗憾的是，有些人对此不太满意。但那是很久以前的事了。
　　记者：你能说说你对某些理解量子引力的有效方法有怎样的看法？就像量子引力中的渐近安全性一样，你认为这有什么希望吗？
　　斯莫林：渐近安全性是有一些非常吸引人的地方。它基本上是史蒂夫·温伯格针对关于微扰不可重整化理论的一些想法的应用，并将这些想法应用于引力。这是一个非常吸引人的故事，但有一个问题；正如我所说的，问题总是存在的。渐近安全性的问题是单一性。我们知道即使在微扰理论中也存在渐近安全理论。
　　记者：你能说说你对某些理解量子引力的有效方法有怎样的看法？就像量子引力中的渐近安全性一样，你认为这有什么希望吗？
　　斯莫林：渐近安全性是有一些非常吸引人的地方。它基本上是史蒂夫·温伯格针对关于微扰不可重整化理论的一些想法的应用，并将这些想法应用于引力。这是一个非常吸引人的故事，但有一个问题；正如我所说的，问题总是存在的。渐近安全性的问题是统一性。我们知道即使在微扰理论中也存在渐近安全理论。
　　该理论的作用原理是爱因斯坦作用原理，加上宇宙常数项，加上瑞奇纯量的平方加上瑞奇张量平方。这最后一个总是引入不稳定性和满足统一性原则的不可能性，这意味着你不能保证所有将发生的事情的概率加起来为1。这是自 1978 年或 1982 年以来就已知的一个问题，我写了第三篇论文，以回应史蒂夫那篇违反统一性的论文。
　　只要耦合在高能极限内是有限的，就可以有一个渐近安全性理论。通过为重整化组选择一个高能量的不动点，其他一切都可以在较低的能量下计算。
　　记者：我还想向你请教的一件事是：如果你有一个动态时空，相对于一个静态时空，你如何描述变化时空中的波函数坍缩？如果你有一个在变化时空中的波函数，如果你的时空不是静态的，波函数坍缩是什么样子的？
　　斯莫林：罗杰·彭罗斯的观点是，波函数坍缩是一种物理现象，当该可能事件中涉及的特定能量度量等于每普朗克时间的普朗克能量或类似的东西时，就会发生这种情况。我不记得他是怎么做到的。然后，你就会处于一个爱因斯坦方程或薛定谔方程都不完全正确的领域。
　　真正让我感到非常兴奋的是，有一些正在开发中的实验正在测试这些。不同的人正在研究新一代的桌面引力或量子引力实验。
　　量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。经典引力的量子校正被可视化为圈图，如图中白色所示。我们通常认为彼此靠近的物体能够相互施加力，但这也可能是一种错觉。
　　记者：我喜欢正在进行的桌面模拟实验。我一定要问你的一件事是，就像你之前说的，你会嘲笑那些在没有证据支持的情况下将结论视为已成定论的人。在关键证据出现之前，您希望对任何可能发生的事情保持开放的态度。那你是否担心采取＂在量子物理学方面我是一个现实主义者＂的立场违反了这条建议？你会担心，＂我是一个现实主义者，而我相信现实是独立于观察者之外的＂，这个观点会犯这样的错误吗？
　　斯莫林：我一直觉得，没有什么比能够思考这些事情更有趣了。有些人心里有这种观念，就是他们必须得正确，但我没有。我不知道为什么，也许这也是一个缺点？所以，当然，如果你问我，是的，我可能错了。我可能在很多事情上都错了。
　　让我们来到1000年以后。这时候，我们都会因为错过了神经科学或行星科学中明显的东西或被证明为很重要的东西，而在后人眼里看起来像是傻瓜。有一位著名的拳击手在被问到他对自己的职业生涯有何感想时，他说：＂你知道，我已经尽力了。＂我对此很满意。我不一定是对的，但如果我不遵循我的信仰，我就不会像现在这样快乐。
　　尼尔斯·玻尔和艾尔伯特·爱因斯坦，于1925年在保罗·埃伦费斯特的家中讨论了许多话题。玻尔与爱因斯坦的辩论是量子力学发展过程中最具影响力的事件之一。今天，玻尔以其对量子领域高的贡献而闻名，爱因斯坦则因提出相对论和质能等价而广为人知。
　　记者：我想引用尼尔斯·玻尔的一句话，然后问你对此的看法。＂当我们测量某物时，我们是在强迫一个未确定、未定义的世界去假设一个实验值。我们不是在测量世界；而是正在创造世界。＂我认为这是一个我希望你从根本上提出异议的声明，但你可能会让我感到惊讶。
　　斯莫林：不，这对我没有吸引力，但是，我真的很遗憾从未有机会认识玻尔。他是个有趣的人；我们就不能达到那个水平吗？最后，在西方文化和社会的发展中，从我们的角度来看，玻尔处于一个非常奇怪的位置。受叔本华等人的影响，他的观点不仅是我们认为的非现实主义观点，而且还是激进的非现实主义观点，他对此已经尽力了。
　　记者：你还有什么想法，你觉得有必要分享的？
　　斯莫林：让更多训练有素且非常优秀的人才有机会加入科学界。对我来说，当人们谈论多样性时，这不仅意味着女性、黑人和原住民以及其他人，他们都是非常非常重要的，但更重要的是他们有不同的想法。如今，要在物理学上取得成功，你不能只是普通人，就像我不能创作一段音乐，然后把音乐交给纽约爱乐乐团让他们演奏一样。
　　你必须得有你的工具，必须练习，必须善于使用你的工具，必须为你在工作中发现的结果提供令人信服的理由。这就是博士学位所象征的。但在非常优秀的人中间，我们想要各种各样的想法、观点、类型、个性、性别和种族……我希望下一代和下下一代生活在一个更加有趣的科学世界中。因为如果每个人都一样的话，那就太无趣了。