你还记得看到外太空里的真空“实际上”是什么样的吗？那些在此之前看起来只是虚空的地方原来遍布着波动起伏的场。波动变成了从场的真空中冒出的粒子，无处不在。

在量子世界，某事只要可能发生，它就一定发生。因此，暂时忘记你的日常大小和引力，想象一下缩微版的自己沉浸在量子场的包围中，位于非常小的世界里，坐在小椅子上。你就像是裁判，像观看网球比赛似的观看两个电子互相作用，只是电子变成了网球选手，在它们中间飞舞的虚光子变成了球。

你的右边某处有一个电子，另一个在左边。它俩完全一样，带着相同的电荷。跟磁铁一样，它们应该互相排斥。这是一场有趣的比赛。现在电子们还离得很远，在诞生了它们的电磁场中前进。它们越来越接近，几乎就要撞到一起，还好没有。它们发生了相互作用。球赛开始。虚光子们从电磁场中冒出，让电子变道，把它们打碎。然后，就像开始时一样迅速，球赛结束了。电子与虚光子都不见了。

你等着下一场的开始。

又一对电子正在路上。

这次你决定要把注意力集中在虚光子身上，而不是电子。你那缩微版的双眼目不转睛。

电子们正在运动。它们越来越接近，然后……砰！虚光子出现了。为了不漏掉任何一个画面，你放慢了时间。

电子们正要变道。

虚光子也在那里。

但有些事情发生了。

在一个自发出现在两个电子网球选手中间的虚光子身上，发生了一些奇怪的变形。

它变成了粒子-反粒子对：一个电子和一个正电子。

你迅速瞥一眼电子们，好奇它们是不是受到它们间虚拟光珠消失的影响，但看上去它们毫不在意。你又去看刚被创造出来的那一对，然而……它们已经不再是一对，而是两个半。

你闭上自己的缩微版眼睛，揉了揉。

这是什么比赛啊？

你再次睁开双眼。

突然之间，两个电子之间出现了几千对粒子-反粒子对。

你眨了下眼。

现在变成了几亿对。

几万亿对。

你再眨了下眼……它们都消失了。

你看了下电子们。

它们已经破碎了，就像之前的网球选手一样。奇怪。

你刚刚见到的是统治微小世界的量子规则的后果之一：某事只要可能发生，它就一定发生。对于虚光子来说，它很可能从运动中的电子们那里借到能量，变成虚拟粒子-反粒子对，又会随之变成其他粒子-反粒子对，或者湮灭成光，再……

你自己想象吧。

哪怕就是两个微小的电子相互作用，在此过程中虚拟粒子对们出现的可能性也是无穷大。所以会有无穷大数量的虚拟粒子牵涉其中。

你依旧开心地坐在自己的缩微版裁判椅上，思考着，你等着下一场比赛，开始再次观察焰火，但是没有新的选手参赛了。没有电子朝你走来。但现在你已知道如何搜寻，你还是看得到虚拟粒子-反粒子对不时出现，只是出现得慢了一些。它们就像从空气中出现的网球和反网球，只是没有打网球的人。

这些粒子对的出现是来自真空的“量子涨落”。

它们一直都在，但只要存在它们能够借助的能量——例如运动中的电子们的动能——它们就更容易被激发。

一对电子-正电子对在你眼前出现，然后又湮灭成光子，然后它又自发变成另一对，这次是夸克-反夸克对，现在，一个反夸克发射出一个胶子，随之……

即便是在真空中，那些看起来没有任何东西的地方，要准确地描述我们的世界，我们仍需要考虑所有无穷多种粒子-反粒子对相互作用的可能性，任何地方，任何时间。

一团糟。

而且这种一团糟还带来相当灾难性的后果：这些可能性都很重要而且数目众多（事实上它们的数量是无穷大），其结果是宇宙中的任何一点都应该对应于无穷大的能量值，哪怕是在没有其他东西的真空中。很显然，实际情况不是这样的，不然我们的宇宙就会在任何地方开始塌缩，就在现在，因为这些无穷大的能量给时空带来的巨大引力效应。因此，这幅画中显然有些不对头的地方。

为了让这个讨厌的问题变得容易对付一点，量子场理论学家们想出来一个机智的办法：他们纯粹简单地决定忘掉引力，将它从游戏中整个驱离。既然这样，他们还顺便把无穷大也去掉了。他们关掉这个开关，只计算剩下的部分，连哄带骗地……居然成功了。

荷兰理论物理学家霍夫特(Gerard\'t Hooft)就是开创这种数学外科手术方法的几位极其聪明极其出色的物理学家之一，他因为这个贡献和他的博士生导师马丁努斯·韦尔特曼(Martinus Veltman)一起获得了一九九九年的诺贝尔物理学奖。因为他（和其他几个人）的贡献，虽然他们粗暴地用数学开关关掉了无穷大，但还是通过其精准的预言能力将量子场理论变成历史上最成功的科学理论。去除无穷大的结果导致了一些以前从未被见过的粒子被预言，而且是精确预言——对于它们的质量和电荷——精确到误差小于一千亿分之一。如果随便一个人能那么精确地猜测，他将成功地猜出送到各个酒吧的一百万品脱啤酒里是不是少掉了一滴。如果我们真的具备这种能力，估计酒吧里每天都会有暴动。

量子场理论所作出的预言都精确得让人吃惊。但这种“赖皮”手段给寻求解释的我们来说，所带来的伤害就算痛饮一百万杯啤酒都难以消解。

为什么这些无穷大会发生？

难道仅仅是因为在我们宇宙当中比这些理论能够有效探测的更小的区域里，我们不知道那里究竟发生了什么？

也许是吧。

不管怎么说，有一位非凡的美国物理学家就是这么想的。他的名字叫肯尼斯·格迪斯·威尔逊(Kenneth Geddes Wilson)，他不再试图解释无穷多个更小的领域以得到有关粒子的某个结论，而是认为如此令人头晕眼花的尺度可能确实是问题所在：人们没有必要为了能够讨论粒子而考虑更加小的尺度。就像人们在市场上挑拣苹果而不必去比较原子那样，威尔逊提出并且证实了未知的东西也能够被测量，被规定，和被抛到一边。

这的确有用——事实上威尔逊因为这个贡献而获得了一九八二年的诺贝尔物理学奖。

威尔逊并没有解决无穷小状况下会发生什么情形的问题，他只是舍弃了这个问题。通过对未知情况的切除和粗粒化，以前影响场论的无穷的问题不复存在了。

移除无穷的过程有个名字，叫做“重正化”。就像我在前面所说的，它在计算方面的效率非常出色。但是对于渴望理解所有事物的人来说，对于未知并不能简单地忽略而过。有必要深入下去。尤其在考虑到引力的情况下，这些重正化手段并不起作用。

另一方面，量子场论是关于宇宙真正包含什么的理论。它们非常精确，真的精确到让你难以相信，但只能在不考虑时空背景，固定不变，以及引力不对任何东西发生作用时才有用。这不是一个真实的世界。

我们必须找到一个途径把引力拉回来。

我们必须把引力导入量子场。

那么该怎么做呢？

量子场论断言只要有场存在，就能产生小块的能量，或者小块的物质，它们被称为“量子”。电磁场的基本量子就是其最小能态的基本粒子即光子和电子。与此类似，强核力场的基本量子是夸克与胶子，引力场（被视为一个假设的量子场）的基本量子是引力子。

在本书的第五部分，你已经听说了这些词，但我们当时否定了它。为什么它们又出现在这儿？因为我们要看看它们究竟错在哪里。

我们设想一下引力来自某个类似于你目前所见的所有其他场的量子场，那么引力子就是这个场的作用力携带者。当理论学家在纸上计算这些量子是如何影响其周围时，他们发现效果就如同时空曲线。

写在纸上，它们就是引力。

一个很好很有希望的开端。

但是再进一步思考，科学家们发现引力场的量子，就是这些引力子，使得关于引力的明确的理论完全失效。

这可就不是什么好事情了。

为什么会这样？

首先，引力子没有理由不会彼此相互作用：如果引力子真的存在，它们无论如何要与引力以及其他任何事情有联系，也包括它们自身。

其次，作为量子场的基本粒子，引力子也能够出现在场真空之外的任何地方，导致类似霍夫特和韦尔特曼所要矫正的无限的问题。然而，这一次，引力量子无限无法借助任何“重正化”手段来移除：霍夫特和韦尔特曼的算法彻底失败，威尔逊的方法也无法起作用，因为它忽略了引力子发挥作用的距离。

总之，这意味着在试图以某个标准的方式将引力导入量子场时，毛病多多的无限问题随之而来，并且显然我们无法对引力视而不见，因为引力子就是引力。

如果引力就是我们刚才提到的一个量子场，如果引力子正确描述了引力在自然界中发挥作用的机制，时空将与这些无限发生作用，并且在各处崩塌。但时空并没有崩塌，要不然我们就没法在这里讨论这些了。

有趣的是，尽管如此，并且你或许会认为那些相信引力子存在的人脑子都不太正常，但许多科学家（包括我自己，我会在本书第七部分加以说明）还是相信引力子确实存在，至少是在一个所有人都在努力寻找的更宏大的理论中存在。

现在，既然我们已经谈到这些，就让我们再进一步，这样你就能够从一开始就知道，为什么爱因斯坦的广义相对论与量子场论无法相容。

引力与时空相关。也就是说，与时间和空间有关。交织在一起的时间与空间。

在量子场论中，从真空中冒出的基本粒子是由它的场本身所构成。在有关引力的量子场论中，因此基本粒子也是由它的场本身所构成。但是这个场是时空。因此其基本粒子应该由空间和时间来构成。

这意味着我们周围应该有时空的基本小块存在。任何地方都如此，也就意味着空间与时间都不再是连续的。

更糟糕的是，这些时空基本小块能够表现出既是波又是粒子。它们服从量子隧穿，服从量子跃迁……

如果你试图在脑中构造这幅图画，祝你好运。

事实上，如果你是一个普通人，试图去想想这样的概念都会让你的大脑融化。

然而，从大自然的角度，这并不是什么问题。

真正的问题在于就算我们能够忘记讨厌的无限的问题，所有其他量子场理论能够如此强大地描述构成我们的各种粒子，全依赖于周围不存在这样的时空小块。

换句话说，这意味着广义相对论与量子场论所使用的时空概念是不同的。

这是个问题。

一个很大的问题。貌似无法解决。

因此我们只剩下一种奇怪的感觉，感觉自己被禁锢在一个不上不下的地方：人类已经发现了两种极其有效的理论，一种描述了我们宇宙的结构（爱因斯坦的引力理论——广义相对论），另一种则描述了我们宇宙所包含的一切（量子场论），但这两种理论互不理睬，老死不相往来。有很长一段时间，甚至研究这两个领域的物理学家们也跟着他们的研究对象那样互不交谈。美国理论物理学家理查德·费曼是历史上最聪明的科学家之一，因其在量子场论的成就而成为诺贝尔奖获得者，他曾给他太太写过一封信。“我在这次会议上什么都没得到，”他在一九六二年出席了一次引力研讨会后这样写道，“我什么都没学到。因为没有实验，这个领域不是那么活跃，几乎没有什么最好的科学家在这个领域从事研究。结果就是这里都是些笨蛋（有一百二十六个），而且对我的血压也不好。下次提醒我不要再参加任何引力研讨会！”

然而，因为有了新的技术以及像史蒂芬·霍金那样的理论物理学家们的工作，科学家们很快就发现再也不能对他们不知道的东西视而不见，来自两个领域的想法开始流入对方的领域，促成了那些你将会在本书第七部分中体验到的疯狂想法的诞生。接下来我将向你一一介绍。

1. “量子”一词（拉丁语quantum）字面意思是“小包”，复数形式是quanta。​​​​​

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