這本書大部分內容都在討論從毫米到整個可觀測宇宙尺度下的前沿引力物理研究。在這一章中,我們將聊聊引力理論當中表述上的一些問題。
自1915年以來,我們對引力相互作用的理解一直參考著愛因斯坦的理論。這一理論把時間和空間統一成一個客體,並且讓時空中的物質影響時空的性質。我的讀者們應該已經相信這個事實,愛因斯坦的理論取得了非凡的成功!隻用一個理論就能解釋如此大量的物理現象,是多麽偉大!然而,愛因斯坦的理論還不是我們理解引力的終點。1915年之後,引力物理學領域裏發生了很多事情,其中有不少暗示著我們需要一個更加基礎的理論。
量子力學和引力
在愛因斯坦發表他的引力理論之後不久,20世紀初的理論物理世界就被玻爾(Bohr)、海森堡(Heisenberg)、薛定諤(Schr?dinger)等科學家再一次永遠地改變了。從牛頓一直到那個改變之前,我們都認為物理理論屬於決定論。也就是說,如果你知道某一時刻宇宙中所有物體的位置和速度,那麽你就可以準確無誤地預測將來。這樣的物理學現在被稱為經典理論(classical theories)。愛因斯坦的理論就是經典理論的一個例子。玻爾、海森堡和薛定諤他們領導的革命卻創造了另一種理論——量子力學(quantum mechanics)。新的量子理論以概率為基礎,其結論是:人們隻能計算未來發生某種事件的概率,但無法準確地知道未來究竟會發生什麽。
量子力學的成就是驚人的。它極其精確地描述了光的本質,以及所有已知物質的基本構成單元。再後來,劍橋大學的保羅·狄拉克(Paul Dirac)教授利用這些新想法建立了量子化的電磁學理論。他的理論又能導出粒子物理的標準模型(Standard Model),也就是對所有已知粒子和粒子間相互作用的量子理論表述。現如今已經很少有人懷疑是否能用量子力學描述大自然。2012年被稱為皇冠上的明珠的希格斯玻色子(Higgs boson,被理論預言的一種粒子,能賦予其他粒子質量,是標準模型中的重要內容)被發現了,這標誌著標準模型的預言已經全部得到了驗證。量子力學是現代化學和材料學的基礎,它讓我們造出計算機中的半導體、DVD放映機和電視機中的激光和發光二極管。量子力學是毋庸置疑的,它描述了大自然如何運作,尤其是當我們試圖描述微觀世界的時候。