这是大与小的终极之争。
尼古拉斯·加伯
一个是宇宙间最大的问题，一个是宇宙间最小的问题。
在当今的物理学家手里，有两本不同的规则手册，它们都可以用来解释自然的运作方式。《广义相对论》，它完美地解释了引力及引力统治下的一切：行星的运行、星系的碰撞、宇宙的膨胀。这就是那个最大的问题。与此同时就是《量子力学》，它讨论的是三种力——电磁力和两种核力。量子理论非常适合解释铀原子的衰变，或光子击中太阳能电池板后发生的一切。这就是那个最小的问题。
现在问题来了：相对论和量子力学是两种不同框架的基础理论。它们不只是用词上的不同；而是描述上的不兼容和冲突。
这两大物理学阵营的矛盾已经存在了一个多世纪——它们受1905年爱因斯坦的两篇论文启发，一篇描述了广义相对论，而另一篇引入了量子——但近年来，这场竞赛进入了一个神秘而无法预知的新阶段。两位分属不同阵营的知名物理学家主导了一系列实验，想要一决胜负。
就像屏幕上的照片，像素是它最小的单位，长度也可能有一个无法再分割的最小单位：量子空间。
我们大致上可以把相对论和量子体系的区别看作是“光滑”和“块状”的区别。在广义相对论中，事件是连续可测的，也就是说每一个因，可以导致特定的果。而在量子力学中，事件是亚原子粒子跳跃的相互作用产生的（量子跃迁），我们只知道可能会怎样，而无法得出明确的结果。许多被经典物理学禁止的联系在量子定律中都是允许的。最近德国学者已经用实验，证明了这种广受争议的现象。他们让两个相隔一英里的电子进行了“即时”通讯。如果我们想用“光滑”的相对论定律来解释“块状”的量子世界，或者是反过来，情况都会变得相当糟糕。
在量子尺度上，相对论的答案是没有意义的，用它来描述现实最终会得出无穷多个结果。与此相似的是，量子力学在放大到宇宙的维度后也会遇到棘手的麻烦。量子场带有一定的能量，即便是看上去一无所有的空间，能量也会随场的扩大而增加。根据爱因斯坦的理论，能量和质量是等价的（e=mc^2），所以能量的积累等于质量的积累。积累到一定程度后，量子场中的能量会变得极端强大，以致于把整个宇宙弯曲成一个黑洞。哎呦喂。
克雷格·霍根，芝加哥大学的理论天体物理学家，也是费米实验室粒子天体物理学中心的主任。他想用一种新奇的理论，来重新解读量子世界。这个理论认为，量子空间的单位，可以大到足以进行直接研究。与此同时，加拿大滑铁卢理论物理边界学会的创始成员李·斯莫林正试图回到爱因斯坦的哲学根源，来推进物理学，把它朝一个令人激动的方向拓展。
要明白他们都下了什么赌注，需要回望历史，看看先例。爱因斯坦向我们展示的广义相对论，不仅取代了艾萨克·牛顿的引力理论，还为我们指出了一条通往宇宙大爆炸和黑洞的物理学新路，更不用说原子弹和手机GPS时间的每日调整。与此相似的是，量子力学的影响也不仅限于重写了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁光方程教科书。它还为大型强子对撞机、太阳能电板等所有现代微电子学提供了一种概念工具。
从这样的争论中我们可以收获的成果，将会是现代物理学中的第三次革命，意义重大。它能告诉我们自然定律从何而来，能够告诉我们宇宙在基础层面上是否是确定的，是否每个事件都与一个原因明确相连。
全像干涉仪前的男人：克雷格·霍根，费米实验室的理论天体物理学家。他建造了一台能够对极端微小的空间进行测量的设备。“我希望实验结果能够迫使人们朝着一个不同的方向进行理论思考，”霍根说。芝加哥大学天文学和天体物理学系
块状的宇宙
霍根，量子力学的捍卫者，是一位堪称标杆的物理学家：与其在黑暗中摸索，他更喜欢关注光明，因为那里你才有可能看到有趣的东西。而这正是他当前研究背后的指导理念。相对论和量子力学的冲突，是人们在极端短小的空间长度上进行引力分析时才出现的，因此他想要仔细瞧瞧此时究竟发生了什么。“我希望能够通过实验，来真切地看看究竟发生了什么，来看看究竟出现了什么我们不了解的现象，”他说。
爱因斯坦物理学的基本假设之一，可以上溯到亚里斯多德——这个假设认为空间是连续的，也是无限可见的，因此任何空间长度都可以被细分。但霍根对此提出了质疑。就像屏幕上的照片，像素是它最小的单位，他认为长度也可能有一个无法再分割的最小单位：量子空间。
在霍根的设想中，在长度小于单个空间颗粒的情况下，引力是没有意义的。在最小的尺度上，引力将无法起作用，因为并不存在这样的尺度。换句话说，广义相对论将被迫与量子物理握手言和，因为当物理学家对相对论效应进行测量时，空间本身可以被分割成最小的量子单位。引力表演的现实舞台要让位给量子舞台。
全像干涉仪将向我们展示了解空间潜在量子结构的正确方式（或排除错误方式）。
霍根承认他的理念听起来有点古怪，即便同在量子阵营的许多同事也有这种感觉。从1960年代末开始，一些物理学家和数学家发展出了一种被称为“弦理论”的理论框架，以求调和广义相对论和量子力学；多年以后，这个理论已经成为主流，即便它仍然未完成早期的许多承诺。和霍根的块状空间方案一样，弦理论也假定空间有一个最基本的结构，这是二者的相同之处。弦理论认为宇宙中的一切都是由振荡的能量弦构成的。和块状空间一样，弦理论为了防止引力导致的理论崩溃，为宇宙引入了一种有限的最小尺度，但弦的尺度要比霍根寻找的空间结构小很多。
块状空间和弦理论并不完全吻合——和其它物理学模型相比也是如此。“这是一个新的理念，没有写进教科书；它并不是任何标准理论的预测，”霍根说，听起来一点也儿也不担心。“但其实并不存在什么标准理论是吧？”
如果他的块状空间理论是正确的，那就将击碎弦理论中的许多现有构想，同时会启发人们对在量子语义中重建广义相对论进行新的尝试。它将为人们认识空间和时间的固有本质提供新方法。最奇特的一点是，这也许会支持一种新颖的观念，貌似拥有三个维度的现实世界可能是由更为基础的二维单元构成的。对于“像素”这个比喻，霍根的态度是认真的：就像平面像素能够创造出具有深度感的电视画面一样，空间本身可能是由一组本身只有两个维度的元素构成的。
和许多当代理论物理学的前沿观点一样，霍根的猜想乍听起来就像深夜宿舍初级生的高谈阔论一样让人心生疑虑。但它们之间最大的不同之处是，霍根打算用确凿的实验结果进行证明。而他也已经开始这么做了。
从2007年开始，霍根就在考虑如何制造一台能够对这种极端细小的空间颗粒进行测量的设备。结果发现，他的同事掌握着许多能够实现这一目的的方法，这些方法多半借助了引力波搜寻技术。两年内，霍根怀揣梦想，与芝加哥大学费米实验室等机构进行了合作，建造了一台用以检测块状空间的仪器，他将其优雅地命名为“全像干涉仪”。（这是一个深奥的双关语，既结合了17世纪传统测绘仪的命名方式，也表明它能够对二维空间的三维投影，也就是它的全息图像加以检测。）
虽然有复杂的表层理念，全像干涉仪采用的技术无非是激光。它先把一束激光一分为二，然后用两面镜子把它们反射到一对长40米的隧道内。经过校准的光束能够精确反映镜面的位置。如果空间存在块状结构，镜面位置数据就会发生偏移（严格地讲，是空间本身导致的），镜子的间隔会有恒定而随机的变化。因此当光束再次合并后就会产生细微的不同步。这种差异反映的就是空间块状结构的尺度。
如果想知道空间块状结构的尺度，霍根的测量精度就必须达到10^-18米，比氢原子还要小大约1亿倍，收集数据的速率也要达到每秒大约1亿次。神奇的是，这样的实验不但可能，而且可行。“由于光子学领域取得的进步，比如快电子，我们能够相当廉价地来做这些实验，”霍根说。“这是一个推测性相当大的实验，因此你只能在代价低的前提下进行。”全像干涉仪现在已经开始运行，以所需的精度收集着数据；他期望今年年底前能够得到初步结果。
也有对霍根的观点持怀疑态度的人，包括理论物理学界的许多科学家。存在反对意见的原因显而易见：全像干涉仪如果成功，必然意味着弦理论中许多研究成果的失败。尽管存在着争论，霍根和大部分理论学家的信念在深层核心上却是相似的：他们都认为广义相对论最终会从属于量子力学。其它三大物理定律都遵守量子定律，引力也当如此。
当代大部分理论学家对量子力学的认识仍在深入。在哲学－认识论层面，他们通常把经典物理学中的大尺度现实当成一种幻像，当成一种更为“真实”的、由极小尺度上的量子世界运作产生的近似结果。块状空间理论显然符合这样的世界观。
霍根把他的项目比作19世纪里程碑式的迈克尔逊－莫雷实验。迈克尔逊－莫雷实验旨在寻找“以太”——一种假想的空间介质。根据当时的主流理论，光在真空中传播需要依赖这种东西。实验结果是没有找到所谓的“以太”；这个复杂而一无所获的实验启发了爱因斯坦的狭义相对论，滋养了广义相对论，最终颠覆了整个物理学界。迈克尔逊－莫雷实验也是用镜子和分光来检测空间结构，和霍根的方法惊人地相似。
“我们做这个全像干涉仪是基于同样的精神。无论有否发现，都是一件有意思的事情。做这个实验的理由只是想看看我们是否找到某种能够引领理论的东西，”霍根说。“从别人对此的反应中，你能了解很多。我们考虑问题时都会用非常数学的方式。我希望实验结果能够迫使人们朝着一个不同的方向进行理论思考。”
无论是否能够找到空间的量子结构，霍根都相信他的全像干涉仪有助于物理学界正确对待这个“大与小”的问题。它将向我们展示一条了解空间量子结构，了解这种量子结构如何影响引力相对论定律的正确方法（或排除一种错误方法）。
极大和极小的碰撞：黑洞是宇宙中唯一一个量子物理与广义相对论发生直接碰撞的地方。这幅艺术家的想像图展示了南天半人马座活跃星系中心超大质量黑洞周围的景像。位于智利的欧洲南方天文台通过观测发现，黑洞周围不但存在着炽热的尘埃环，其两极还有冷物质风向外吹出。ESO / M. Kornmesser
一场超级大秀
如果想寻找另一个完全不同的方向，边界研究所的斯莫林会是你的菜。如果说霍根是格格不入的绅士，斯莫林就是马力全开的异见分子：“当我还是研究生时，理查德·费曼就告诉过我。他的大意是，‘如果你身边所有人都没能证明某件事，那么这件事本身就可能是错的。’弦理论出现了已经有四五十年，也没能取得实质性进展。”
而这还只是批判的开始。斯莫林认为，小尺度物理学探索本身是不完备的。当前版本的量子场理论能够很好地解释单个粒子或小型粒子体系的行为，但在把宇宙当成一个完整的个体来研究时，就变得不合理了。它们解释不了现实为什么是这样而不是那样。在斯莫林看来，量子力学只不过是一种“子系统理论”。
如果你觉得自己是某个整体的局部，那这种物理学就比较适合你。
若要更进一步，他建议要把宇宙当成一个单一的巨型体系，并建立一种适用于一切的理论。而我们实际上已经有了能够提供此类框架的理论：广义相对论。和量子框架不同，广义相对论不需要外部观察者或外部时钟，因为广义相对论中不存在所谓的“外部”。在这个理论中，一切现实都可以用物体间和不同空间区域间的关系加以说明。即使是像“惯性”这样的基础概念（如静止的汽车只有靠发动机才能带动，或行驶中的汽车不踩刹车就不会停下）也可以与宇宙中其它粒子的引力场联系起来。
这种情况的古怪程度足以让我们暂时跑题来加以审视。让我们进行一次思想实验，这个实验与1907年启发爱因斯坦的那次有非常密切的关联。假如宇宙中除了两名宇航员空无一物。一名宇航员在转圈，而另一名是静止的。转圈那名宇航员转得头晕目眩。但究竟是哪名宇航员在转圈？无论从哪名宇航员的角度观察，转圈的都是对方。爱因斯坦认为，如果没有外部参考系，就无法判断谁说的对，也说不出为什么其中一名会有与另一名不同的体验。
两名宇航员状态的差别只在我们引入宇宙的其余部分后才有意义。在广义相对论的经典解释里，惯性只在我们以整个宇宙的引力场为背景进行测量时才存在。这对现实世界中的一切对象都适用：每一部分的行为与其余部分密切相关。如果你觉得自己是某个整体的局部，那这种物理学就比较适合你。而这也是斯莫林认为的，在所有尺度上探求自然运作方式最终答案的可信方式。
“广义相对论不是对子系统的解释，而是对作为一个闭合体系的宇宙整体的解释，”他说。因此，如果物理学家想要解决相对论和量子力学的冲突，聪明的策略应该是遵循爱因斯坦的方向，尽可能从大处着眼考虑问题。
斯莫林非常渴望能够把他挚爱的理论用在理解小尺度的量子世界上。“我并不是想把事情搞复杂，而只是一种方式。我的规矩是要把这些难以理解的东西想清楚，得出我的结论，然后静候尘埃落定，”他和蔼地说。“我希望人们能够被这些论点吸引，但我最真切的期望是这些论点能够引发可供检验的预测。”
乍看之下，斯莫林的观点像是异想天开。他认为，宇宙的各部分通过空间相连，因此也可能通过时间相连。他认为，物理定律可能会在宇宙的历史中逐步发展。他用了几年时间，发展出了两种细节方案。他1990年代苦思冥想出来的宇宙学自然进化论，认为黑洞就像宇宙的蛋，能够孵化出新的宇宙。最近，他又针对量子力学定律的出现，发展出了一种颇具挑衅性的假说，名为“优先原理”——而他也正在着手，想对这个原理加以检验。
“优先原理”是斯莫林试图解答物理现象为什么可重复出现这个问题时获得的。如果我们重复进行某一实验，结果总是相似的。（一根火柴能擦出火；多根火柴能擦出观点。）这种重现是如此司空见惯，以致于我们通常对它视而不见。我们通常把这种结果归结为自然“定律”，并认为无论何时，结果都是一样的。但在斯莫林的假说中，这些定律实际上是量子体系随着时间的推移，对过去类似体系的行为进行复制后逐步展现的。
要对此加以检验，一种可行的方法是做一次从未做过的实验，因此这种现象没有旧版本（因此也无法进行预测）可供复制。进行这样的实验可能需要创造一个高度复杂的量子体系，包含许多处于新奇纠缠态的部件。如果“优先原理”正确，这个体系最初的反馈在本质上应该是无序的。理论上，随着实验重复进行，优先级会逐步出现，结果也会变得可以预测。“要把一个能够产生优先级的体系从实验粒子的干扰中区分出来是困难的，”斯莫林说，“但并非没有可能。”
虽然优先级存在于原子尺度上，它产生的影响却是遍及整个宇宙体系的。这又回到了斯莫林貌似错误的还原论思想上来，这种思想试图在小尺度上解决大问题。但是即便这两个不同级别的物理学理论能够协同工作，也是不够的。他想知道的——我们都想知道的——是为什么宇宙会是现在这个样子。为什么时间只会向前不会倒退？为什么与我们同在的是这些定律、这个宇宙，而不是别的定律、别的宇宙？
针对这些问题，我们手中缺乏真正有意义的答案。这意味着“我们对量子场理论的理解存在着某些深层的错误，”斯莫林说。和霍根一样，除了这个用以探寻基本真理的大项目，他不太担心其它的实验结果。对斯莫林来说，这个实验能够让他对宇宙有一个完整而一致的认识；能够让他对实验进行预测，也能让他对原子、行星、彩虹和人类的独特性作出解释。在这点上，他也是从爱因斯坦那里得到的灵感。
“广义相对论一遍又一遍地教给我们的，是关系论的胜利，”斯莫林说。回答大问题的方法是把宇宙当成一个整体。
获胜的一方是……
如果要为这场大小之辩设一个裁判，那非加州理工学院的宇宙学、场理论、引力物理学专家肖恩·卡罗尔莫属。他了解相对论，了解量子力学，也对这二者加在一起后的荒诞性有非常正确的认识：他给他的个人博客起名为“荒谬的宇宙”。
卡罗尔钟情于量子一方。“我们大部分人都相信，量子力学比广义相对论更为基础，”他说。自从1920年代爱因斯坦反复尝试，试图在违反直觉的量子理论预测中寻找缺陷而未果后，这种观点一直占据主流。最近德国人的实验证明了两个相隔遥远的粒子间确实存在瞬间量子联系——也就是被爱因斯坦嘲笑的“幽灵般的超距作用”——这又进一步加强了证据的力度。
无论理论怎么发展，大尺度无疑是重要的，因为我们就生活在这个尺度的世界中，我们观察的世界尺度也是如此。
卡罗尔解释说，从更宏观的角度来看，真正的问题不是广义相对论和量子场理论间的对决，而是经典动力学和量子动力学的对决。相对论，无论有多么奇特，都遵从经典的因果关系；而量子力学并非如此。爱因斯坦曾乐观地认为，在量子力学背后，可能隐藏着某种经典的、确定的现实，但人们并未找到这样的秩序。幽灵般的超距作用被证明，更是表明这样的秩序不存在。
“或许人们应该在一定程度上抛弃空间和局域性观念，放弃物理事件会对周边环境产生影响的观念。因为这些东西在量子力学中根本不存在，”卡罗尔说。它们可能是由差异极大的小尺度现象产生的大尺度幻觉，就像霍根所说的那种来自二维量子空间单元的三维现实。
虽然表面上赞同，卡罗尔还是认为霍根的全像干涉仪成功的可能性不大，尽管他承认这已经远离了他的研究领域。另一方面，他也不认为斯莫林的尝试是一种基础性的东西；他认为这种尝试与把空气看成是比原子更基础的东西一样荒谬。对于哪种量子体系能够把物理学带到下一阶段，他对弦理论充满信心，他认为“这是量子场理论极为自然的延伸”。在所有这些方面，他对现代物理学的主流量子思维都持肯定态度。
虽然卡罗尔的裁决基本上倒向了量子一方，但并不彻底。在量子理论中，仍然存在着巨大的、难以解释的鸿沟。“由于我们身处其中，要找到正确的量子力学版本有点勉为其难，”他说。“用当前的量子力学思维方式，来思考作为一个整体的宇宙，其结果是一种失败。我们现在甚至都不知道时间是什么。”霍根和斯莫林都认同这个看法，虽然他们的研究方向不同。卡罗尔倾向于那种自下而上的解释，倾向于认为时间是小尺度量子互动的呈现方式，他宣称自己在斯莫林的观点面前，成了“彻底的不可知论者”——斯莫林认为时间是一种普遍而基础的东西。因此，关于时间的结论尚未可知。
无论理论怎么发展，大尺度无疑是重要的，因为我们就生活在这个尺度的世界中，我们观察的世界尺度也是如此。在本质上，宇宙是一个整体，物理学家想要用方程式来描述它必然面临巨大的挑战。即使霍根是正确的，他的块状空间也必须与我们日常体验到的光滑现实达到某种平衡。即使斯莫林是错的，我们也需要对这个独特的宇宙整体作出解释——而这一切，至少就目前而言，单靠量子物理是无法做到的。
霍根和斯莫林通过推进我们的前沿认识，来促进这两个物理学领域的联系。他们努力调和的，不仅是量子力学和广义相对论，还有理念和感知。下一个伟大的物理学理论，无疑将拥有美丽的新数学和无法想像的新技术。但它最大的贡献应该是能够在更深层的内涵和观察者——或可称为宇宙基本尺度之一的我们之间建立起一种联系。
科里·S·鲍尔 文 / 老孙 译
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