苗千
量子引力学家卡罗·罗韦利教授认为，或许又到了人类应该重新审视自己对于真实的理解的时候。时间和空间，可能仅仅是人类的感官对于真实进行的一种近似。
真实的概念从何而来
意大利理论物理学家卡罗·罗韦利（CarloRovelli）教授今年60岁，他在意大利和美国都工作过，现在法国马赛理论物理研究中心工作。罗韦利教授不仅从事前沿量子引力研究，亦通晓科学史，他写过一本物理学科普书《七堂极简物理课》（Settebrevilezionidifisica）。这本以物理学为主题的书在意大利已经再版了19次，被翻译成了41种语言。
继上一本现象级的物理科普书之后，罗韦利教授又完成了一本《真实不是看起来的样子》（RealityisnotWhatitSeems）。这本以意大利语完成的新作在2016年底刚刚有了英文翻译版本。罗韦利教授带领读者们从物理学的起源开始，一步步来到21世纪，回顾了物理学发展中一些标志性的人物和事件。
人类的大脑经过数百万年的进化，已经远远超越了其他动物，但是人类的感官与其他在野外生活的哺乳动物们并无太大的不同。人類为了生存所进化出的感官所能够感受到的外部世界（例如能够感知的声音频率和电磁波频率）并不完整，甚至不真实。读者可以从《真实不是看起来的样子》这本书中看到，每一次人类的物理学发生进步，人们所理解的真实就会发生改变。现在，真实的意义似乎又一次面临改变。那么，所谓真实，到底应该是什么样？
人类所理解的真实世界最初是由自己的生活经验所决定的。在还没人能环游地球的时代，人类很容易依照自己的生活经验形成天圆地方的概念，并且相信存在着一位造物主。如果人类能够看得更远，自然会明白地球是圆的。假设人类的感觉无比灵敏，可以感受到身边引力场的微弱变化，可以感受到一纳秒的时间的流逝，那么人类对于时空的理解，关于真实的概念，又会有怎样的变化？
不能通过感官所体会到的真实，可以通过理性思维来达到，人类2000多年的科学史，就是一部逐渐探索真实世界的历史，科学才是人类最坚实的依靠，而正是我们知识和感官的不完整让科学探索的过程变得有趣并且珍贵。但科学思维并非从天而降，它需要人摆脱对神的崇拜，对权威的盲从，并且愿意相信，通过理性思考，人类可以理解自己所生活的世界。罗韦利教授所讲述的人类科学故事，是从26个世纪之前的古希腊城市米利都（Miletus）开始的。
罗韦利教授相信，在现代兴起的关于时空的观念，其源头正在古代。而最开始的科学想法，一直到现代科学研究，包括作者目前所研究的量子引力问题，直至最激进的科学猜想，实际上并无本质区别。我们会发现，古人提出的问题，与现代物理学家们所给出的答案，出奇的契合。
从有文字记录开始，人类就开始追问，为什么会有宇宙？为什么会发生各种自然现象？关于这些问题的答案从来都是混杂着想象和神话——直到在26个世纪前的米利都，另外一种答案成为可能。一些人通过观察和推理，而不是通过幻想、神话或是宗教，用一种批判式的思维方式发现了真实的另一面。罗韦利教授写道：科学由实验、假设、公式、计算和长时间的思考组成，但那都只是工具而已，正如乐器之于音乐家——最重要的是音乐本身。对于人类来说，最重要的发现是一种完全不同的思考方式，并不依赖于大师和古人，而是依赖自己。米利都的天文学家和哲学家安纳西曼德（Anaximander）正是通过这种思维方式认识到大地是浮于空中，雨水来自于地面水分的蒸发，而世上的所有东西都形成于同一种本质，他称为阿派朗（apeiron）。
科学的诞生是一种偶然
科学并非从天而降，实际上科学思维的产生可以说极为偶然。在当时米利都的政治气氛非常自由，这座城市还会聚了古希腊、美索不达米亚和古埃及的智慧。在一个没有皇宫贵族，市民可以自由讨论的环境中，米利都的居民第一次创造出了自己的律法，有了历史上第一个议会。正是在这里，第一次有人开始质疑是上帝创造了世间万物。只有通过自由讨论和思考，哲学与自然科学才有可能诞生，人类才有可能理解这个世界。
受到米利都精神的影响，古希腊哲学家留基伯（Leucippus）后来在阿夫季拉创办了一所哲学与科学学校，还有了一个著名的门徒德谟克利特。这一对师徒最大的发现就是这个世界可以通过推理来理解，纷繁复杂的景象必然可以通过比较简单的理论来理解，他们还共同创立了人类最早的古典原子学说——人类开始走在了一条正确的道路上，开始发掘这个世界潜在的规律。
古典原子学说与现代人对于原子的理解有很大不同。古典学说认为，在无边无际的空间中有着无数的原子构成世间万物。原子不可再分，它们是真实世界最细微的颗粒，一切由原子构成。它们自由在空间中穿梭，相互碰撞，聚集，相似的原子之间相互吸引。一切都与原子组合的方式有关，就如同不同字母的组合形成了语言，原子的不同组合方式构成了世间万物——一切没有终点，没有目的，自然就是原子组合形式的实验，所有原子共同构成了整个的真实世界，而其他一切都是副产品。
这种机械性的古典原子论当然没法得到当时所有人的认同。柏拉图与亚里士多德都不同意德谟克利特的观点，他们坚信一切的发生都是有原因的——这或许可以看作科学与哲学的第一次分道扬镳。柏拉图倾向于用善与恶来理解世界，他说，当物理学家向他解释地球是圆的时候，他会问，圆形对于地球来说的善在哪里？就是因为无法从善恶的角度理解，柏拉图最终远离了物理学，选择通过其他的方式来理解世界。
古典原子论还会引起各种争议。例如，组成一切事物的原子是什么形状的？如果事物无限可分，那么最终将只剩下没有任何形体的虚无。如果说原子没有大小和形状，那么把两个没有大小的东西拼凑起来，仍然没有大小。这样的理论难免引起各种悖论，留基伯的老师、埃利亚的芝诺正是针对运动的本质和不可分性，提出了一系列的悖论。芝诺当年所提出的问题，也正是目前量子引力研究所需要面对和解决的问题：任意小的时间和长度存在吗？
针对原子学说可能引起的悖论，德谟克利特总结，原子的数量是有限的，并且也有大小。而留基伯針对芝诺的悖论也提出过，或许任意小是不存在的，不可能无限地划分，而是存在一个最小的数值，宇宙是颗粒化而不是连续存在的。这样一种理想化的概念必然会引起长久的争论，毕竟没有人用肉眼见到过原子。直到1897年，爱因斯坦青年时期的偶像、奥地利物理学家恩斯特·马赫还声称他不相信原子的存在。他认为化学只是一种总结自然规律的手段，而非验证原子真实存在的证明。
最终真正证明了原子存在，并且计算了原子大小的人是爱因斯坦。在被称作爱因斯坦的奇迹年的1905年，爱因斯坦一连发表了三篇对物理学发展有深远影响的论文，其中的一篇就通过统计力学的手段证明了原子存在，并在理论上计算了原子的大小，而在另一篇论文中，爱因斯坦提出的相对性理论深刻地改变了人们对于真实的理解。罗韦利教授认为，从某种意义上来说，狭义相对论比广义相对论更加伟大，它第一次用抽象思维向人们展示了一个完全不同于经验的世界：绝对同时性并不存在，宇宙中并不存在“现在”，而且时空紧密相连，能量与质量统一了起来。
人类之所以会对真实产生出错觉，认为自己生活在牛顿力学所描述的绝对时间和绝对空间之中，是因为人类对于时间和空间的感觉并不灵敏——弥补这种缺陷需要理性的力量。现代宇宙学认为大约140亿年之前发生的一次宇宙大爆炸产生出了弯曲的时空，这个时空现在仍然在膨胀的过程中，而人类目前描述时空之中运动规律的科学理论又一次遇到了困难。
真实到底是什么
依照目前物理学的解释，宇宙中时空与物质之间的相互作用由爱因斯坦方程来描述。宇宙中的物质分布在大约1000亿个星系之内，物质由量子场构成，以粒子或是波的形式表现出来，物质之间又存在着相互作用。现代物理学最深刻的问题在于，广义相对论没有考虑到场实际上是量子化的，而量子理论又没有考虑到时空的弯曲，它们两者之间无法以现有的形态兼容——奇怪的地方在于，这两个理论都能够很好地与现实相契合。罗韦利教授形容：一个物理系的学生在上午听了广义相对论的课程，在下午学习量子力学，（两门课程相互矛盾）他会以为教这两门课的教师已经有100年没有见过面了。
两个理论形成了两个系统。一个描述的是极大尺度下时空与物质之间的相互作用，另一个描述的是在极小尺度下颗粒化、概率化的微观世界，想要找出一个两者都能适用的场合让两个理论相互验证并非易事。像是月亮这样的天体太大而无法体现出量子性（虽然爱因斯坦曾经发问：当人们不去看月亮的时候，月亮是否也在那里？）；一个原子又太轻，无法体现出因为质能造成的时空弯曲。物理学家们想象的能够同时检验广义相对论和量子力学的理想场景，一个是在黑洞的内部，另一个则是在刚刚发生大爆炸之后不久的宇宙。除此之外，我们很难得知时空在极小的尺度下如何运转——两个理论互为彼此的反面。
这个矛盾正是量子引力研究的核心问题。量子空间和量子时间究竟是什么？全世界的量子引力学家都需要找到一组能够统一描述这个世界的公式，更重要的是，他们需要找到一个对于这个世界的统一认识。罗韦利教授认为目前状况对于物理学家们来说是一个难得的机遇：这并非是人类第一次面对两个极其成功的物理理论，牛顿综合了伽利略和开普勒的学说创建了牛顿力学，而麦克斯韦和法拉第则综合了电学和磁学，创建了完整的电磁学。爱因斯坦的狭义相对论正是为了融合这两者之间的矛盾——随后的广义相对论则是为了调和牛顿力学和他自己的狭义相对论之间的矛盾。从这个角度来说，理论物理学家在面对两个非常成功又相互矛盾的学说时，应该意识到这是一个发展出全新理论的好机会，问题只是在于如何找到这个理论。
或许又到了人类应该重新审视自己对于真实的理解的时候。时间和空间，究竟是一种真实的物理存在，还是一种人类感官对于真实进行的近似？早就有物理学家意识到，在时空的某一点上，引力场是没有确定值的。假设我们在时空一个非常小的区域放置了一个粒子进行观测，根据海森堡不确定原理，在越小的区域限制这个粒子，它越可能以极大的速度逃离。速度越大，粒子具有的能量就越大，能量越大，所造成的时空弯曲也就越大——最终将形成一个黑洞，使我们无法观测这个点，也就无法将它作为参考。因此在理论上我们无法观测一个无限小的点，我们可以得到一个结论：时空不是无限可分的，降到一个界限之下后，就无法进行观测。我们称这个尺度为普朗克尺度，在这个尺度上，时空改变了它的性质。
作为圈量子引力论（LoopQuantumGravity）的专家，在全书的末尾，罗韦利教授得出一个惊人的结论：时间并不存在。他认为空间并不是量子的载体，空间描述的是它们与周围的关系。如果我们抛弃空间的概念，自然也需要抛弃时间的概念。时间不是一个统一的物理现象，它与引力场有关。在普朗克尺度上，事件的发生将不再需要时间。罗韦利教授相信时间是一个有用的假设，并可以此发展出物理学，但是在量子引力的研究中，人们可以抛开对于时间的假设，只研究物理现象之间的联系。他坚信，这不仅是公式上的变换，更是观念上的巨大飞跃。人们必须开始相信事物并非依据时间而变化，而是其他东西。在最基础的层面上，并没有时间，时间只是对最基础的真实的近似而已。
罗韦利教授进一步解释：如果时空都消失，连基本粒子也都消失，那么世界是由什么构成的？是由量子场构成，这些量子场并不存在于时空之中，而是相互依存。我们对于周围的一切感知都是我们对于这些量子场大尺度上的模糊感知和近似——这类似于阿派朗，构成一切物质的基本元素。只要我们相信时空也是量子场的一方面，那么相对论和量子论就可以非常好地融合在一起。而且当我们抛弃了对于时空连续性的假设，很多在量子场论中计算时经常出现的恼人的无限也就消失了。
时空是一种对于真实的近似，量子场是最根本的存在——罗韦利教授以一种宗教般的热忱呼吁人们认识到真实的意义，但在同时，他也保持了一个科学家的冷静，坦陈对于自己书中所写，他自己并非完全确定，毕竟人的知识有限。罗韦利教授的态度不难理解，因为他所研究的圈量子引力论并非目前量子引力研究的唯一选择，还有更多的理论物理学家愿意相信时空的真实性，在从其他角度寻找更为真实的存在。例如弦论学家们更愿意相信，在极小的尺度下，时空是由更多的维度所构成。因此，哈佛大学的理论物理学家丽莎·蓝道尔（LisaRandall）批评罗韦利教授的新书并没有区分开推理、可能被实验验证的假说以及奇特的幻想，这可能会让读者感到迷惑。
对于大多数读者来说，阅读这样一本以物理学和物理学史为主题的书，最大的收获或许就在于暂时脱身自己周围无比熟悉的世界，并且可能对周遭世界的真实性产生出哪怕是一丝的怀疑。这种感受或许类似于看一场电影——但是其带来的启迪可能会比看电影更加深远。
打赏微信扫一扫，打赏作者吧～