弯曲的旅行：揭开隐藏着的宇宙维度之谜

量子力学和广义相对论在很大的距离范围内和谐相容，包括实验所能观察的任何尺度。

尽管两个理论都应该适用于所有的长度范围，但对于哪一测量范围由哪一理论主导，物理学家已形成了一种共识。两者都尊重对方在各自指定领域的权威，所以和谐地分享着这些领域：广义相对论适用于大质量的延伸物体，如恒星和星系；但引力对原子的影响是可以忽略的，所以，在研究原子时，你可以放心大胆地忽略广义相对论；而在原子大小的距离上，量子力学是非常关键的，因为它对原子的预言至关重要，而且与经典力学的预言大不相同。

但是，量子力学和相对论的关系并不完全和谐。在称做普朗克长度（10⁻³³厘米）的极小尺度上，这两种截然不同的理论从未有过充分交流。

只有当存在逐渐弯曲时空的平滑引力场时，广义相对论才会发挥作用。但量子力学告诉我们，能探测或影响普朗克长度的任何东西都具有巨大的动量不确定性。探索普朗克长度的能量会引致混乱的力学过程，例如，虚粒子的高能爆发，这将摧毁广义相对论描述的一切希望。根据量子力学，在普朗克长度上，空间几何不再是渐渐地弯曲，而是未来艾克遇到的那种地形，时空狂乱地起伏跌宕，一会绕成一个个圆环，一会又伸出一条条枝蔓。在这样一个桀骜不驯的领域里，广义相对论是无能为力的。

广义相对论也不能退场而让量子力学自由发挥，因为引力在普朗克长度上会产生极强的作用力。尽管在我们熟悉的粒子物理能量上，引力是微弱的，但在探索普朗克长度的高能量上，它是强大的。^[1]普朗克能量——探索普朗克长度的能量，正好是这样的能量尺度，不能再将引力当做弱力而忽略了。在普朗克长度的水平上，引力不能忽略。

事实上，在普朗克级能量上，引力形成了障碍，根本不可能使用传统的量子力学进行计算。任何足以探索10⁻³³厘米的能量都会被禁闭一切的黑洞所吞噬，只有量子引力论能告诉我们里面究竟发生了什么。

在极微小的尺度上，量子力学和引力迫切需要一个更为基本的理论。由于两者之间的冲突，除了引进另外一个仲裁者来取代它们，我们别无它法。而新的统治体系必须给量子力学和广义相对论以足够的自由，主宰它们各自互不干涉的领域，但同时又要有足够的权威，掌管这片两个旧理论都不能控制的争议区域。弦理论可能就是答案。

量子力学和引力的互不相容，还反映在传统引力对引力子高能相互作用的不合情理的预言上。引力子是量子引力理论中传递引力作用的粒子。

根据经典引力理论，引力通过引力场在两个庞大物体之间传递，就如电磁力的传递一样：根据麦克斯韦经典电磁场理论，电磁力由一个带电粒子通过经典电磁场传递给另一带电粒子。但电磁力的量子场理论——量子电动力学（QED），以光子的交换重新阐释了经典电磁力。^[2]QED这一关于光子的理论，是经典电磁理论兼容量子力学效应的推广。

与此类似，量子力学规定，引力的传递也必须有一个粒子，这一粒子就是引力子。在量子引力理论里，两物体之间引力子的交换会重现牛顿定律的引力作用。尽管引力子还没有被直接观察到，但因为量子力学规定它们的存在，许多物理学家对此深信不疑。

引力子独特的自旋特征将对我们非常重要。因为引力子传递与空间和时间内在相联的引力，因此它与所有其他已知的力的承载者（如光子）有着不同的自旋。这里，我们不去细究它的原因，但引力子是已知唯一自旋为2的无质量粒子，不像其他规范玻色子那样自旋为1，也不像夸克和轻子那样为二分之一。寻找额外维度理论的可信证据时，自旋为2这一事实非常重要。正如我们很快将看到的，引力子的自旋也是我们认识弦理论潜在意义的关键。

但是，量子场理论对引力的描述是不完整的。没有一个引力子的量子场理论能预言它在所有能量上的相互作用。当引力子的能量高至普朗克级能量时，量子场理论就彻底崩溃了。

普朗克长度比质子小19个数量级，小到如此地步，物理学家本可以置之不理，但它关乎一个根本问题，只有一个更为全面、普适的理论才有可能作出解答。例如，当今的宇宙学理论猜想，宇宙的起源是一个普朗克长度大小的小球，但我们尚不明了大爆炸的 “爆炸”。对宇宙的后期演变，我们了解了很多，但它是怎么开始的，我们还不知道。导出在小于普朗克长度范围适用的物理定律，会帮助我们了解宇宙的最初演变。

再者，还有许多关于黑洞的未解之谜。这些重要的未解问题包括：在黑洞的视界上发生了什么？在奇点上又发生了什么？视界是一个不归之地，没有任何东西能够脱逃它；而奇点在黑洞的中心，广义相对论不再适用。另一未解之谜是，掉进黑洞的物体信息是怎样储存的？与我们感受到的引力作用不同，黑洞里面的引力效应很强，在寻常的平坦空间看来，那就像是能量高达普朗克能标的物体产生的效应。如果不能找到一个能和谐包容量子力学和广义相对论的理论——一个在10⁻³³厘米普朗克长度上的量子引力论，我们将永远无法解答黑洞问题。黑洞展示了某些只有量子引力论才能解决的强引力效应。弦理论是已知最有希望成为这样一个理论的候选者。