現實不似你所見:量子引力之旅 - 第1章
卡洛·羅韋利
作者：卡洛·羅韋利
出版社：湖南科學技術出版社
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目錄
版權信息
自序
引言：岸邊漫步
第一部分
源頭
1.微粒
分割有極限嗎？
物性論
2.經典
艾薩克與小月亮
邁克爾：場與光
第二部分
革命的開端
3.阿爾伯特
延展的現在
最美的理論
數學還是物理？
宇宙
4.量子
又是愛因斯坦
尼爾斯、維爾納與保羅
場與粒子是相同的東西
量子1：信息是有限的
量子2：不確定性
量子3：實在是相關聯的
但我們真的理解了嗎？
第三部分
量子空間與關聯的時間
5.時空是量子
馬特維
約翰
圈的第一步
6.空間的量子
體積和面積的範圍
空間的原子
自旋網絡
7.時間不存在
時間不是我們想的那樣
蠟燭吊燈與脈搏
時空壽司
自旋泡沫
世界由什麼構成？
第四部分
超越時空
8.超越大爆炸
量子宇宙學
9.實驗上的證據？
來自自然的信號
通往量子引力的一扇窗
10.量子黑洞
11.無窮的終結
12.信息
熱時間
實在與信息
13.秘密
自序
在我的整個研究生涯里，一直有朋友和好奇的人請我講解量子引力到底是怎麼一回事。我們如何得以研究這些思考空間和時間的全新方式呢？我一再被邀請以通俗的方式寫一寫量子引力。關於宇宙學或弦理論的書已經有很多了，但描述空間與時間的量子本質，尤其是關於圈量子引力（Loop
Quantum
Gravity）研究的書，卻還未出現。長久以來我一直很猶豫，因為我想要專注於研究。但幾年以前，在完成了關於這一研究課題的專業書籍後，我感到許多科學家的共同努力已經使這個主題達到一個成熟的階段，足以出版一本普及讀物了。我們正在探索的風景令人着迷，為何要把它藏起來呢？
但我還是推遲了這個計劃，因為我無法在腦海中「看見」這本書。我要如何解釋一個沒有空間與時間的世界？2012年的某天晚上，在獨自駕車從意大利到法國的途中，我意識到，要想以一種容易理解的方式闡釋持續修正中的空間與時間的概念，唯一的方法就是把故事從頭講起：從德謨克利特（Democritus）開始，一直到空間的量子化。畢竟我就是這樣理解這個故事的。我一邊開車一邊在頭腦中構思整本書，並且越來越興奮，直到我聽到警車的鳴笛聲，要我靠邊停車：我嚴重超速了。意大利警察禮貌地詢問，開得那麼快我是不是瘋了。我解釋道，我剛剛發現了一個已經尋覓良久的想法。警察並沒有開罰單就放我走了，還祝我的那本書順利，也就是你此刻讀到的這本書。
這本書寫完後於2014年初在意大利首次出版。不久之後，我為一家意大利報紙寫了一些有關基礎物理學的文章。一家很有聲望的意大利出版社阿德爾菲（Adelphi）請我對這些文章進行擴展，出版成一個小冊子。這就是那本小書《七堂極簡物理課》的緣起，令我萬分驚訝的是，它成了一本國際暢銷書，並且在我與全世界那麼多出色的讀者之間開闢了一個美妙的交流渠道。那「七堂課」完成於本書之後，在一定程度上它們是你在這裡遇到的一些主題的綜合。如果你已經讀過《七堂極簡物理課》，並且想要了解更多，想要在它描繪的奇妙世界中深度旅行，那麼在這本書里你會有更多發現。
我在這裡給出的對現有物理學的描述，儘管以一種我自己所理解的獨特視角呈現，但其中絕大部分並無爭議。而本書中關於當前量子引力研究的描述，則是我個人對研究現狀的理解。這是我們已然理解與尚未理解的邊界地帶，並且遠未達成共識。我的物理學家同事們有些會贊同我在這裡所寫的，有些則不然。在介紹任何前沿知識的研究時，都會遇到這樣的情況，但我想在一開始就坦率地表明態度：這並不是一本關於確定性的書，而是一本面向未知去冒險的書。
總的來講，這是一本遊記，描繪了人類最激動人心的旅程之一。在這段旅程中，我們會走出對現實有限而偏狹的視角，朝向對事物結構越發廣博的理解。這是一段擺脫我們常識觀念的奇妙旅程，而且還遠遠沒有完成。
引言：岸邊漫步
人類總是對自身感到着迷。我們研究自己的歷史、心理、哲學與神明。我們大部分的知識都以人自身為中心，仿佛人類是宇宙中最重要的東西。我想我之所以喜歡物理，是因為它打開了一扇窗，讓我們能看得更遠。它給我們帶來了新鮮的空氣，讓人耳目一新。
我們透過窗戶所看到的東西一直令我們驚嘆。關於宇宙我們已經了解了很多。幾個世紀以來，我們逐漸意識到過去的我們竟然持有那麼多錯誤的見解。我們曾認為地球是平的，它是世界靜止不變的中心。我們曾以為宇宙很小，而且從未改變。我們曾認為人類是一個獨立的物種，與其他動物沒有血緣關係。我們認識到夸克、黑洞、光子、空間波動的存在，認識了我們體內每個細胞令人驚奇的分子結構。人類就像個不斷長大的孩子，驚奇地發現世界並非只有他的臥室和遊樂場，而是如此遼闊，有許許多多的東西可以去發現，有數不清的觀點與他最初以為的不同。宇宙參差多態，無邊無際，我們不斷發現它新的面向。我們對世界了解得越多，就越驚奇於它的多樣、優美與簡潔。
然而我們發現的越多，就越明白，比起已經了解的東西，我們尚未了解的要多得多。我們的望遠鏡功能越強大，看到的天空就越奇妙與出乎意料。我們越細緻地觀察物質的精微細節，就越認識到其結構的深刻。如今我們甚至可以觀測到一百四十億年前的大爆炸，那次讓所有星系得以誕生的偉大爆炸——但我們已經開始瞥見一些比大爆炸更偉大的東西。我們認識到空間是彎曲的，並且已經預見到空間是由振動的量子微粒編織而成的。
我們關於世界基本法則的知識在不斷增長。如果試着整合我們在20世紀學到的關於物理世界的知識，會發現許多線索表明世界與我們在學校里學到的大相徑庭。世界的基本結構正在顯現，它由一群量子事件生成，其中時間和空間都不存在。量子場繪製了空間、時間、物質與光，在事件之間交換信息。實在（Reality）是由獨立事件構成的網絡，概率使它們相互關聯，在兩個事件之間，空間、時間、物質與能量消融在一團概率雲中。
在對基礎物理學中懸而未決的主要問題——量子引力進行研究的過程中，奇妙的新世界正在逐漸顯現。20世紀物理學有兩大重要發現——廣義相對論與量子理論，問題在於我們透過這二者認識的世界要怎樣合理地整合在一起。我想把這本書獻給量子引力，以及這項研究所展現的奇妙世界。
本書是當前研究的實況報道：我們正在研究的、已經了解的，以及我們認為開始理解的事物的基本特性。它從我們現在為了理解世界所使用的一些重要概念的古老起源出發，描述了20世紀的兩項偉大發現——愛因斯坦的廣義相對論與量子力學，並嘗試聚焦於這些物理內容的核心。它講述了如今量子引力研究中正在顯現的世界圖景，也注意到自然所給出的最新提示，例如，普朗克衛星對宇宙標準模型的證實，以及歐洲核子研究組織（CERN）未能成功觀測到許多人預期的超對稱粒子。它也討論了這些理念的推論：空間的分立結構；時間在小尺度的消失；大爆炸的物理學；黑洞的起源，以及信息在物理學基礎中的重要作用。
在《理想國》的第七卷中，柏拉圖講述了一則著名的神話：一些人被束縛在漆黑的洞穴深處，只能看到他們身後火焰投射到牆上的影子。他們認為這就是真實。有個人掙脫了束縛，逃離了洞穴，發現了太陽的光芒和更廣闊的世界。最初他的眼睛無法適應光線，感到頭暈和困惑。然而最終他可以看見了，他興奮地跑回同伴身邊，告訴他們他所看到的。他們感到難以置信。
我們都處在洞穴的深處，被自身的無知與偏見束縛，有限的感官呈現給我們的只有影子。如果我們試圖看得更遠，就會感到困惑，我們並不習慣。但是我們仍然要嘗試，這就是科學。科學思考就是要探索並重新描繪世界，逐步呈現越來越完善的圖景，教我們以更有效的方式思考。科學就是對思維方式的不斷探索，其力量在於用想象力推翻預設的觀念，揭示實在的新面向，建立更新更有效的世界圖景。這次冒險要倚仗過往的全部知識，但其核心是改變。這無限世界熠熠生輝，我們想親眼見證。我們着迷於其神秘與優美，但在視線之外仍是未經探索之地。我們不完整與不確切的知識，飄搖在未知的無盡深