什么是时间和空间
这本书要讨论的问题是物理学所有问题中最简单的一个：“什么是时间和空间？”然而，这个问题也是最难回答的问题之一。科学的进步可以用理论的革新来衡量，因为革新总会产生新的理论解释。我们现在就正处于这样一场革新之中，若干关于空间和时间的新思考、新观念已经涌现出来。借此，希望这本书能成为这个领域的最前沿报道。我写这本书的目的就是希望能用通俗易懂的语言来传递这些新观念，使任何有兴趣的读者都能了解这些令人激动的科学新发展。
我们很难去思考空间和时间，因为它们是所有人类经历的背景。事物总会在某处，一个人可以不质疑本国文化而在其规则中生活，我们也可以在不了解时间和空间的本质的情况下正常存在。但在每个人的一生中，总会有一个瞬间想到关于时间的问题：时间会永远继续下去吗？有没有最初的瞬间？会有最后一刻吗？如果有最初的瞬间，那么宇宙是如何形成的呢？在那之前又发生了什么？如果没有最初的瞬间，这是否意味着所有的事情以前都发生过？空间也是一样：它是无边无际的吗？如果空间有尽头，那么尽头的另一端又有什么呢？如果没有尽头，我们能数得清宇宙中的所有物体吗？
我相信人类自诞生以来，就一直在思考这些问题。如果数万年前那些在洞穴里作画的古人，在晚餐后围坐在篝火旁时，没有互相讨论这些问题的话，那我倒会感到惊讶。
在过去100 多年的时间里，人们已经知道物质是由原子构成的，而原子又是由电子、质子和中子构成的。这给我们上了重要的一课——人类的感知能力尽管有时令人惊异，但大多数时间却相当粗糙，以至于无法直接看到大自然的构成要素。人们总是需要新的工具才能看到最微小的东西。显微镜让我们看到构成人类和其他生物的细胞，但是要想看到原子，还需要放大1??000 倍。现在，电子显微镜可以做到这一点了。并且，借助其他工具，如粒子加速器，我们还可以看到原子核，甚至是构成质子和中子的夸克。
所有这些发现都如此神奇，也使我们提出了更多的问题。电子和夸克是构成物质的最小单位吗？或者它们本身也是由更小的实体组成的？人们继续探索的时候，是否总能找到更小的东西，或者是否存在最小的单元？我们可能会以同样的方式探索空间：空间似乎是连续不断的，但这是真的吗？一定体积的空间能被划分成任意多个部分吗？或者存在一个最小的空间单位吗？有最小的距离吗？同样，我们也想知道，时间是无限可分的吗？有最小的时间单位吗？存在一个最简单的事件吗？
直到大约100 年前，这些问题才有了一套公认的答案，这也构成了牛顿物理学的理论基础。直到20 世纪初人们才认识到，这个体系虽然对科学和工程学的许多发展有很大的推动作用，但在回答关于空间和时间的基本问题时，却是完全错误的。随着牛顿物理学被推翻，这些问题终于有了新的答案。这些答案来自新的理论，主要是爱因斯坦的相对论（theory of relativity），以及尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）、埃尔温·薛定谔（ErwinSchrödinger）等人提出的量子理论（quantum theory）。但这仅仅是这场革新的起点，因为这两个理论都还不够完善，不足以作为物理学的新基础。虽然这两个理论都非常有用，能够解释许多事情，但每一个都是有限且不完善的。量子理论的提出是为了解释为什么原子是稳定的，它并没有像牛顿物理学一样在描述原子结构时土崩瓦解。量子理论也解释了许多物质和辐射的性质。量子理论与牛顿理论适用的范围不同，虽然不是唯一的，但量子理论主要适用于分子及更小的单位尺度。相比之下，广义相对论（general relativity）是一个关于空间、时间和宇宙的理论。与牛顿理论相比，广义相对论适用于更大的尺度，所以许多证实广义相对论的观测都来自天文学。然而，当广义相对论遇到原子和分子的行为时，它似乎就失效了。同样，量子理论似乎与爱因斯坦的广义相对论对空间和时间的描述不相容。因此，人们不能简单地将这两者结合起来，构建一个理论来同时解释原子和太阳系，再到整个宇宙。
要解释为什么很难将相对论和量子理论结合起来并不困难。任何物理理论都不仅仅是一种关于世界上存在着什么粒子和力的记载。当我们环顾四周，开始描述所看到的东西之前，必须对自己做的科学研究做出一些假设。人们都会做梦，大多数人在醒着的时候，可以毫不费力地将梦与自身的真实经历区分开来。人们都会讲故事，大多数人也都坚信事实和虚构之间是有区别的。因此，基于梦、故事与现实之间的不同关系的假设，我们会以不同的方式谈论它们。这些假设可能因人而异，因文化而异，而且会被各类艺术家作为主题修改。但是无论有意或无意，如果它们没有被阐明，就可能会导致混乱和迷茫。所以，先阐明这些假设非常重要。
同样，不同物理理论对其所观测到的现象和事实所做的基本假设也是不同的。如果不仔细地解释这些假设，在我们试图比较不同理论对世界的不同描述时，就会产生混乱。
本书的讨论主要从两个非常基本的问题展开，其所依据的理论各不相同。其一是空间和时间的本质是什么。牛顿物理学给出了一个答案，广义相对论则给出了另一个答案，后文会详细介绍。值得注意的是，爱因斯坦彻底地改变了人们对空间和时间的理解。
其二是观察者与其观察到的系统有什么关系。这里必须存在某种关系，否则观察者甚至不会意识到这个系统的存在。但是，对于观察者和被观察对象之间的关系，不同理论的假设差异很大。特别是，量子理论对这个问题所做出的假设与牛顿物理学完全不同。
然而，量子理论虽然彻底改变了观察者与被观察对象之间关系的假设，却没有改变牛顿物理学对时空本质的解释。爱因斯坦的广义相对论则正好与之相反，在广义相对论中，空间和时间的概念发生了根本性的变化，而牛顿物理学对观察者与被观察对象之间关系的看法则被保留下来。每个理论似乎都有正确的一面，并且都保留了与另一个理论相矛盾的旧物理假设。
因此，相对论和量子理论只是革新中的第一步，在长远的未来，这场革新必将持续下去。要完成这场革新，我们必须找到一个能够把相对论和量子理论的观点汇集在一起的新理论。这一理论必须以某种方式融合爱因斯坦所倡导的时空概念以及量子理论所秉持的关于观察者与被观察对象关系的看法。如果做不到，那就必须摒弃这两个理论，并找到新的答案来解释什么是空间和时间，以及观察者与被观察对象之间的关系。
新的理论暂时还未完成，但它已经有了一个名字：量子引力理论（quantum gravity theory）。这是因为该理论的一个关键部分涉及将量子理论向引力理论扩展，而量子理论是理解原子和基本粒子的基础。我们现在普遍从广义相对论的角度理解引力，认为引力实际上是空间和时间结构的一种表征。这是爱因斯坦最令人惊讶也最美丽的顿悟，对于这一点，后文会进一步论述。我们现在面临的问题，用基本物理学的行话说，是将爱因斯坦的广义相对论与量子理论统一起来，这种统一的产物就是量子引力理论。
量子引力理论将提供关于空间和时间本质的新答案，但这不是全部。量子引力理论必须是关于物质的理论，所以它必须包含20 世纪获得的对基本粒子及其支配力量的全部解释。量子引力理论也必须是一个宇宙学的理论，它会回答现在看来非常神秘的关于宇宙起源的问题，例如宇宙大爆炸究竟是最初的时刻，还是仅仅是一个与以前存在的世界不同的世界的过渡。它还可以告诉我们生命的出现是不是必然，人类的存在是否仅仅是一场幸运的意外。
在步入21 世纪之时，科学界最具有挑战性的问题莫过于完成这一理论。大多数人可能会想，这是否太难了？它是否会因为某个数学问题或意识的本质问题而永远无法得到解决？一旦你看到问题的宏大，那么持有这种观点并不奇怪，甚至许多优秀的物理学家也深以为然。二三十年前，当我在大学里开始研究量子引力理论时，一些老师就告诉我，只有傻瓜才会研究这个问题。的确，那时很少有人认真研究量子引力。我不知道他们是否会聚在一起共进晚餐，可能会吧。
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