第16章 幻象的未来

空间和时间的前景

对于物理学家来说，其一生的大部分时间都在困惑的状态中度过，这甚至可算是一种职业病。要想在物理学领域获得成功就得学会在通往真理的曲折道路上爱上疑惑。对含混不清的东西无法忍受的感觉激发了普通人身上所蕴藏的非凡天赋和创造性，有待调和的不谐事物特别容易使人集中思想。但是在探索之路上——在为解决著名问题而进行的研究工作中——理论学家们必须穿越迷茫的丛林，他们所能依靠的导引只能是直觉、模糊的概念，断断续续的线索与计算。而且，由于大多数的研究者有掩饰痕迹的习惯，所以在很多复杂困难的细节上，人们常常一无所知。但是千万不要忘记没有什么可以轻易获得。大自然不会轻易说出它的秘密。

在本书前面的很多章节中，我们读到了很多有关人类追寻空间和时间之意义的故事。尽管我们已经谈到了很多既深刻又令人惊奇的思想，但是仍有种种疑惑未能弄清楚，我们仍未到达可直呼“Eureka”的那一刻。毫无疑问，我们仍在丛林中探寻出路。那么，未来的路在何方？时空故事的下一章应该是些什么内容？显然，没有人知道。但是近年来，一些线索已初见端倪；虽然这些散碎的证据还不能连成完整一致的物理图像，但很多物理学家仍然相信这些证据暗示着宇宙学上另一次大突破的来临。于此之际，很多物理学家相信时间和空间这样的概念不过是埋藏在物理真实性中的更加精细丰富的基本理论的一种幻象。在即将结束本书之际，让我们试着了解一下这些零散的线索并初窥我们探寻宇宙结构之旅的下一站在哪个方向。

空间和时间是基本概念吗

德国哲学家伊曼努尔·康德认为，要是把空间和时间的概念剔除掉，思考并且描述宇宙就不单单是有难度了，而是根本就不可能。坦率地讲，我能理解康德为什么会这么想。无论什么时候，只要我坐下来闭上双眼，试着想一想某个或某件既不占任何空间也没经历任何时间的东西或事情，我都会大脑短路。有空间才会有内容，有时间才有变化，两者总是无声无息地存在着。具有讽刺意味的是，埋头于数学计算（这时候用的常常是时空）的时候，才是我的大脑与时空的概念联系最紧密的时候，因为这些数学练习能够短暂地吞没我的思想，在某种抽象意义上就像没有空间和时间一样。但是思想本身以及思想需要依托的身体则还是不得不占据着时间和空间。要真的清除了空间和时间，那么甩掉你的影子简直易如反掌。

然而，很多当代主流物理学家怀疑，空间和时间虽然无处不在，却不一定是真正的基本概念。就像炮弹的坚硬源于组成炮弹的原子的集群性质，玫瑰的香气源于组成玫瑰的分子的集群性质，猎豹的敏捷源于其肌肉、神经以及骨骼的集群性质，空间和时间的性质——这本书中所讨论的主要东西——也可能源于某种我们尚不清楚的基本成分的集群性质。

物理学家有时会将这些可能性归结为一句话：时空根本是一种幻象。一种有争议的描述，其意义需要合理的解释。不管怎么说，当你被炮弹击中，或者闻到了玫瑰的香气，或者正好看到了飞奔的猎豹的时候，你是无论如何也不会因为这些事物都有其更加基本的结构而否定其存在的。相反的，我想我们大多数人都会同意这些由各种物质汇聚起来的事物自有其存在性，而且，要想了解这些事物，我们仅仅知道作为其组分的原子或分子的性质是不够的，我们还需要研究其整体的性质。但是，由于它们都是由更基本的物质组成，所以我们不会去试着建立一个基于炮弹、玫瑰以及猎豹的宇宙理论。类似的，即使空间和时间真是某种复合实体，那也并非就意味着我们所熟知的空间和时间表象——不论是牛顿的桶还是爱因斯坦的引力——只是一种幻象；无须怀疑，不论未来我们对时间和空间的理解有什么样的发展，空间和时间在实际意义上仍将保有其无处不在的地位。而且，复合时空的概念意味着一种对宇宙更为基本的描述——既不需要空间也不需要时间的宇宙——尚未被发现。这样，空间和时间这种幻象就只是人类所臆造的概念之一，对宇宙最深刻的解读将使我们看清楚空间和时间这一信念将土崩瓦解。当你在原子以及亚原子水平上研究物质的时候，炮弹的硬度、玫瑰的香气、猎豹的速度都不再有任何意义；与之类似，当我们钻研大自然的最基本法则的时候，空间和时间的概念也将自行消融。

时空并不是最基本的宇宙组成可能使你觉得有点牵强。在这一点上你的感觉可能是对的。但有关时空并不与最基本的物理定律相关联的说法并不是一个胡诌的理论。相反，这种想法的提出正是基于一系列理性的思考。下面我们一起来看看其中最出色的几个想法。

量子平均

在第12章中，我们曾讨论过空间结构以及宇宙中的其他事物究竟是怎样被归结为量子不确定性的涨落的。你或许还记得，正是这些涨落，一下子冲垮了点粒子理论；也正是这些涨落，使得人们无法从点粒子理论中得到一个合理的量子引力理论。弦论则不然，它用圈和片代替了点，抹平了涨落——从根本上减小了量子涨落的幅度。就是这样，弦论成功地统一了量子力学和广义相对论。然而，大大减弱了的时空涨落仍然可以存在（就像图12.2中倒数第二层所展示的放大效果），而我们将以它们为线索来思考时空的命运。

首先，我们了解到，人们所熟知的空间和时间——就是浮现在我们脑海中、运用在方程式中的那个空间和时间——来自某种平均过程。当你的脸贴近电视机荧屏的时候，你看到的是一个个像素。这时的感觉与你在一个舒适的距离看电视时的感觉大为不同。这是因为，当你的眼睛没法分辨单独的像素时，它就会把各个像素组合起来平均一下，从而得到平滑过渡的图像。请你注意，只有通过这样的平均过程，由大量的像素构成的图像看起来才是连续的画面。同样，时空的微观结构中也存在着随机波动，但是由于不能在那么小的尺度上分辨时空，我们没法直接知晓这些随机波动。我们的肉眼，甚至我们最为强大的设备，会将这些波动平滑起来得到均匀连续的感觉，就像看电视那样。由于这些波动是随机的，因而在一个小区域内“向上”的波动很可能同“向下”的波动一样多，这样平均一下，大体上就会彼此相消，使我们看到一个平和的时空。但是，与电视机的情形类似，时空之所以以平滑安稳的形式出现，仅仅是由于平均过程的存在。

我们熟悉的时空其实是一种幻象，对于这一说法，量子平均提供了一个非常实际的解释。平均方法的用途很多，但天生就有不能为深层细节提供清楚图像的特点。尽管平均说来，每个美国家庭有2.2个孩子，但你能找出一个有2.2个孩子的家庭吗？尽管一加仑牛奶的平均价格是2.783美元，你却找不到一家按这个价格卖牛奶的商店。我们熟悉的时空也是这样，尽管其自身为平均过程的结果，却不能描述那些我们想要将其称为“基本”的概念的细节。空间和时间只是一种近似，一种集群概念，一种在除最微观尺度外的几乎所有尺度上研究宇宙的极好工具，一种类似于有2.2个孩子的家庭的幻象。

我们来看看第二种相关的见解：尺度越小则量子涨落越强意味着不断地将距离或间隔分割成更小单位的概念可能会在普朗克长度（10-33厘米）与普朗克时间（10-43秒）附近走到尽头。我们在第12章中讨论过这一想法。我们曾经强调过，尽管这一概念与我们从日常生活中获得的空间和时间的感受完全不同，但与日常生活有关的性质被推广到微观尺度时变得面目全非实在没什么值得惊奇的。既然空间和时间的无限可分性是我们日常生活中所熟知的性质，那么这一概念的不再适用就成了另一条线索：暗示我们微观尺度上隐藏着某些我们不了解的东西——或许可称为时空基底的半成品的东西——它构成了我们所熟悉的时空概念。我们认为这尚未明确的组分，这最基本的时空体，不可以再被分成更小的片；因为我们最终会到达量子涨落非常猛烈的尺度，而在那里将没有我们日常在大尺度上感受到的时空。看起来基本层次上的时空组分——不管它到底是什么——被平均过程彻底地改变了面貌，以至于成为我们在日常生活中所体验到的时空。

因而，在最深层次的大自然定律中寻找熟悉的时空可能就像一个音符一个音符地听贝多芬的《第九交响曲》，或者就像一笔一笔地看莫奈的画。在最基本的层面上，自然界中的时空就像这些人类表现力中的极品一样，其整体与其部分完全不同，全无类似之处。

翻译中的几何

另一种想法，物理学家称之为几何对偶性的理论，同样提出时空可能并不具有基本性，只不过提出这一论断的角度相当不同。相比于量子平均，描述这一理论时需要更多的专业术语，因此你要是觉得这一小节太过晦涩，那就略过不读好了。不过很多研究者都认为这些想法是弦论中最具象征意义的内容，因而努力读一读，试着了解其主旨还是很值得的。

我们在第13章中看到，本以为不同的5种弦论究竟为什么是同一种理论的5种翻译。我们在众多内容中特别强调这一点，是因为很多时候这种翻译会使极其困难的问题变得简单一些。但是，在统一5种理论的翻译字典中，有一种目前为止我一直忽略没提的特性。将一个问题从一种弦论中的形式翻译到另一种弦论中的形式时，其困难度会大幅度变化；同样的，将一个问题从一种时空的几何形式描述转换到另一种时空的几何形式描述时，问题的困难度也会有大幅度变化。我要说的就是这个。

在我们的日常生活中，空间只有三维，时间只有一维，而弦论则需要更多的维度。这就使我们有理由探讨额外的维度究竟藏在哪里这样的问题，就像我们在第12章和第13章中做的那样。我们当时找到的答案是这些额外的维度会蜷曲起来，它们蜷曲以后的尺度如此之小，以至于我们目前的实验水平还无法触及。在那些章节中，我们也弄明白了在我们熟悉的大维度上的物理依赖于额外维度的精确大小以及形状，因为额外维度的几何性质会影响弦的振动模式。很好，现在来谈谈我之前故意忽略的问题。

能够将一种弦论中提出的问题翻译为另一种弦论中的不同问题的那本字典，也可以用来将第一个理论中的额外维度的几何翻译为第二个理论中的额外维度的几何。比方说，假如你正在研究IIA型弦论的物理内涵，在这个理论中，额外维度蜷曲到特定的大小和形状，那么，你所得到的每个结论至少在理论上可以从被翻译到其他弦论（比如IIB型弦论）中的同一问题中推演出来。但是，要想在不同的理论中完成问题的翻译，就得要求IIB型弦论中的额外维度按特定的几何形式蜷曲，而这特定的几何形式将取决于——但通常来说却区别于——IIA型弦论中的额外维度的几何形式。简而言之，具有按某种几何形式蜷曲的额外维度的给定弦论等价于——可被转译为——具有按不同几何形式蜷曲的额外维度的另一种弦论。

而且，时空几何上的差异并不会很小。比方说，要是IIA型弦论中的一个维度被蜷曲为一个圆环，如图12.7所示，那么那本字典就会告诉你这个理论完全等价于其中一个额外维度蜷曲为圆环的IIB型理论，而且，IIB型弦论中的圆环半径反比于IIA型弦论中的圆环。如果一个圆环很小，另一个就会很大，反之亦然，因而没有任何办法可以分清两种几何（这里我们用普朗克常数的倍数来表示距离。如果一个圆环的半径为R，则数学字典会告诉你另一个半径为1/R）。你可能会觉得搞清楚哪个是大圆环哪个是小圆环非常容易，但在弦论中可真的没有那么容易。所有的观测都得自于弦之间的相互作用；而这两种弦论，具有一个大圆环维度的IIA型弦论和具有一个小圆环维度的IIB型弦论，只不过是同一物理的不同翻译版本——只不过是不同的表述方式而已。你在一种弦论框架下描述的所有观测都可以在另一种弦论中找到完全等价的描述，尽管每种理论的语言以及所给出的解释会有所不同。[之所以有这种可能，则是因为对于沿圆环维度运动的弦来说，可能存在两种定性上全然不同的构造：一种是弦像绕在锡杯上的橡胶圈那样绕在圆环维度上；另一种则是弦被固定在圆环维度的某处而不是绕着它。前者具有正比于圆环半径的能量（半径越大，缠绕它的弦就要被拉伸得越长，因此弦中蕴藏的能量也就越大）；后者具有反比于半径的能量（半径越小，弦在圆环维度所能占据的就越多，所以弦运动时由于量子不确定性而导致的能量也就越大）。值得注意的是，要是我们可以将原本的圆环半径反换，并同时将“蜷曲的”弦同“不蜷曲的”弦交换，则物理能量——以及更普遍意义上的物理——将不受影响。这一点正是字典在将IIA型弦论翻译为IIB型弦论时所需要的，也正是两种显然不同的几何——大圆环维度和小圆环维度——可以彼此等价的原因所在。]

若我们将额外维度的形状由简单的圆环变为第12章中讲过的更为复杂的卡拉比—丘流形，我们还将得到类似的想法。额外维度蜷曲为特定的卡拉比—丘流形的某种弦论可以被字典转译为额外维度蜷曲为不同的卡拉比—丘流形的另一种弦论（我们说两者互为镜像或者对偶）。在这些例子中，不仅卡拉比—丘流形的大小可以不同，它们的形状，包括其上的洞的种类和数目，也可以不同。但是那本翻译字典却能保证它们按照正确的方式有所区别，因而，尽管额外维度的尺寸和形状不同，不同的理论所蕴含的物理却是完全相同的（在一个给定的卡拉比—丘流形中可能有两种类型的洞，弦的振动模式——以及所诱导的物理——仅对两种类型的洞的数目之差敏感。所以，如果在某个卡拉比—丘流形上有2个第一种类型的洞，以及5个第二种类型的洞；而在另一个卡拉比—丘流形上有5个第一种类型的洞，以及2个第二种类型的洞，那么虽然这两个卡拉比—丘流形的几何形状不同，但它们对应的理论将带来同样的物理）。

从另一个角度看，这对“空间并非基本概念”这一猜测是一个有力的支持。用5种弦论中的某一种描述宇宙的人将会宣称包括额外维度在内的空间具有某种特殊的大小和形状；而用另一种不同的弦论描述宇宙的人将会宣称包括额外维度在内的空间具有另一种不同的大小和形状。这两个人观测的是同一个物理宇宙，却给出了两种不同的数学描述，而这并不意味着两者中必有一个是错的。他们可能都是正确的，尽管他们有关空间的结论——大小和形状——不尽相同。还需要注意的是，这里并不是说他们按照不同的却等效的方式切割时空，就像狭义相对论中那样。这两位观测者所不能达成共识的乃是时空自身的整个结构。这就是关键之所在。如果时空真的是基本的，大多数物理学家都会认为每个人，不论其视角如何——不管他们用的理论语言是怎样的——都将会就时空的几何性质达成共识。但现在的情况是——至少在弦论中是——使用不同理论的人们不能就时空结构达成共识，而这一点正意味着时空很可能是个次级现象，而不是基本概念。

因而我们就自然地被带到这样一个问题前：如果前面两节所讨论的线索的确为我们指引了正确的方向，即我们熟悉的时空只不过是某种基本实体的大尺度表象，那么这种实体究竟是什么？它又具有哪些性质呢？今天还没有人能够回答这个问题。但是在探寻这个问题的路上，研究者们发现了更多的线索，而最重要的线索来自对黑洞的思考。

黑洞的熵有什么用

黑洞可算是宇宙中最难以捉摸、最老谋深算的家伙。从外部来看，黑洞要多简单有多简单。黑洞的3个特性分别是质量（质量将决定黑洞的大小，也就是其中心到其视界——一旦触碰则有去无回的隐蔽表面——的距离）、电荷，以及自旋速度。这就是黑洞。只要搞清了这几点就可以看到黑洞向宇宙展现的面貌。物理学家将这一点总结为“黑洞无毛”，也就是说黑洞缺乏那种有个性的具体特征。如果你见过了一个具有特定质量、电荷和自旋（当然，你只能间接地通过环绕黑洞外的气体和星体来获得这些信息，因为黑洞是黑的）的黑洞，那你就见过了所有具有相同质量、电荷和自旋的黑洞。

然而，黑洞岩石般坚硬的外表下，却匿藏了现今所知的宇宙中最极端的狂乱。在一切具有给定尺寸的任意可能组成的物理系统中，黑洞包含着最高可能性的熵。根据第6章讲过的内容，我们可以粗略地讲，这一结论得自于熵的定义——熵是物体内部组分重排数目的量度，与物体的外在无关。至于黑洞，虽然我们并不知道在其内部究竟有些什么——因为我们根本不知道物质撞进黑洞后会发生些什么——我们却可以心安理得地说黑洞内部成分的重新排列组合并不会对黑洞的质量、电荷和自旋产生影响，就像把《战争与和平》的页码打乱重排不会影响这本书的重量一样。既然质量、电荷以及自旋完全决定了一个黑洞展现给外部世界的面貌，那么所有的那些重排组合我们可以统统无视，于是我们说黑洞具有最大可能的熵。

即使讲了这么多，你还是可能会提出用下面这样的办法增加黑洞中的熵。首先造一个与给定黑洞同样大小的空心球，然后往里充气（氧气、氢气、二氧化碳，什么都行）并使之遍布整个球内部。你充进去的气越多，气体的熵就会越多，因为气体分子越多意味着可能的重排组合数目就越多。于是你就会说，只要你不停地充气，这样一直下去，早晚会超过黑洞的熵。这个办法听起来挺高明，但是广义相对论却告诉你这行不通。你充进去的气越多，球体所包容的质量就越大。在你还没来得及将它充到等体积的黑洞所含有的熵的时候，球体内不断增加的质量就会达到一个临界值，这时球体及其内部的一切就会变成一个黑洞。我们其实找不到什么办法绕过这一点。黑洞就是拥有最大的混乱度。

如果你继续往黑洞里打气，其中的熵将会怎样增加呢？熵当然会继续增加，只不过游戏规则却需要变一变。当有物质跃入黑洞贪婪的视界内时，黑洞的熵毫无疑问会增加，但是其大小也会增加。黑洞的大小正比于其质量，因而，只要你往里注入更多的物质，黑洞自身就会变得更重更大。所以，一旦你通过制造黑洞的办法使某一区域内的熵达到了最大值，那就再也找不到什么增加这个区域内的熵的办法了。这一区域内的混乱度再也不能增加了。其中的熵已经满了。无论你做什么，不管你是充进更多的气还是扔进去一辆悍马，你都只能使黑洞所占据的空间增加。因而，黑洞中所包含的熵的多少告诉我们的不仅仅是黑洞的基本性质，还会告诉我们空间自身的某种基本性：某一空间区域——任何空间区域内，不分地点、时间——内所能容纳的最大的熵等于与该区域等大小的黑洞中所能容纳的熵。

那么，给定尺寸的黑洞中到底能够包含多少熵呢？这正是有趣之处。我们先靠直觉猜想，用比较容易想象出来的事物来举例，比方说我们先来分析一下特百惠塑料容器中的空气的熵。如果你把两个一样的特百惠容器对接在一起，那么体积就会翻倍，相应的空气分子数目也会翻倍，于是你就会认为熵也翻倍了。具体的计算也将确证这种猜测，并会同时告诉你其他一切（比方说温度、密度等）没有发生变化。我们熟悉的物理系统中的熵正比于其体积。于是我们自然会猜测那些我们不太熟悉的物理系统中的熵也将正比于体积，因此我们就会得出结论说黑洞中的熵正比于其体积。

20世纪70年代，雅克布·贝肯斯坦与史蒂芬·霍金发现这种猜测并不正确。他们的数学分析证明黑洞的熵并非正比于其体积，而是正比于其视界的面积——粗略说来是正比于其表面积。这是一个全然不同的结果。要是你把黑洞的半径翻倍，其体积就会变为原来的8（23）倍，而其面积则只变为原来的4（22）倍；要是你把黑洞的半径变为原来的100倍，其体积就会变为原来的100万（1003）倍，而其面积则只变为原来的1万（1002）倍。黑洞体积的变化速度要大于黑洞表面积的变化速度。因而，虽然黑洞所能够包含的熵是所有给定大小的事物中最多的，但贝肯斯坦与霍金却证明黑洞所包含的熵比我们之前简单估算的结果小得多。

熵正比于表面积并不仅是黑洞同特百惠容器之间的一个古怪差别，要是那样的话我们就可以做个笔记然后继续往后讲。我们已经知道（即使只是在理论上），黑洞为空间区域内所能填充的熵的数量设定了上限：取一个与所要讨论的区域等大小的黑洞，找到这个黑洞中的熵的大小，这个数值就是所要讨论的空间区域中所能容纳的熵的上限。既然这个熵，如贝肯斯坦与霍金证明的那样，正比于黑洞的表面积——黑洞的表面积正好等于所讨论的区域的表面积，因为我们假定两者具有相同的大小——我们就可以得出结论说任意给定空间区域内所能容纳的最大熵正比于该区域的表面积。

这里所得到的结论同思考塑料容器中的气体所得到的结论（在那段讨论中我们发现容器中的熵正比于容器的体积而不是表面积）之间的分歧很容易解释：因为我们事先假定了容器内的气体分子均匀分布，所以我们在讨论塑料容器时实际上忽略了引力；可是不要忘了，当引力起作用的时候，事物会聚团。当密度很低的时候，忽略引力是没问题的，但如果所讨论的问题牵涉到很大的熵，密度很高，那引力就要起作用了，而那段用特百惠塑料容器所做的分析就不再有效了。这种极端条件需要贝肯斯坦与霍金那种基于引力的计算，得到的结论也应当是空间区域中所能容纳的最大熵正比于其表面积，而不是体积。

话说回来，我们为什么要在乎这些呢？原因有两个。

首先，熵界提供了另外一条超小尺度上的空间具有细小结构的线索。具体说来，贝肯斯坦与霍金发现，如果你在头脑中往黑洞视界上画一张跳棋盘，其中每个小格子的大小都是一个普朗克长度乘以一个普朗克长度（所以每个这样的“普朗克方块”的大小是10-66平方厘米），那么黑洞的熵就等于填满整个黑洞表面所需要的小格子的数目。到了这里我们就很难放过这样一个结论：每一个普朗克方块就是一个最小的空间基本单元，它所具有的熵就是最小单位的熵。这就意味着——即使只是在理论上——普朗克方块内什么都发生不了，因为任何一种活动都会带来无序度的提升，而那就会导致普朗克方块内的熵大于贝肯斯坦与霍金算出来的那一个单位的熵。于是又一次，我们从一个全然不同的视角出发，最后得出了存在基本空间实体的认识。

另外，对一位物理学家来说，某一空间区域中可能存在的熵的上限是一个临界的，几乎具有神圣意义的量。要明白为什么会这样，试着想象一下你正在跟一位行为精神病学家一起工作，你的任务是每时每刻详细记录一群过度活跃的小朋友之间的相互影响。每天早上你都会祈祷上帝，希望今天小朋友能够表现得好点，因为小朋友们制造的麻烦越多，你的活就越麻烦。虽然直观上看理由很明显，但我们还是有必要说清楚：小朋友们的行为表现越混乱，你需要记录下来的内容就越多。宇宙就给了物理学家们一个这样的挑战。一个基本层面上的物理理论需要描述给定区域内一切正在发生的事——或者可能会发生的事，即使这事只有理论上的可能性。而且，就像记录小朋友们的活动那样，一个区域内所能容纳的混乱程度越高——即使只有理论上的可能性——物理理论所必须说明的内容就越多。因而，一个区域内所能容纳的最大熵就是一块简单但锋利的试金石：物理学家们期望真正意义上的基本理论应该能够完美地匹配出任意空间区域的最大熵。这个真正的基本理论应该几乎不需要调节参数就能与大自然相符，其所能记录的最大混乱度应该正好等于一个区域所能有的最大无序度，既不多也不少。

问题在于，如果对特百惠容器的思考所得出的结论具有无限的有效性，那么一个基本理论就得有能力计算正比于任意区域体积的混乱度。但是这种思考却没将引力算在内，而一个基本理论又必须包括引力，于是我们知道了一个基本理论只要有能力计算正比于任意区域表面积的混乱度就足够了。从前面几段给出的例子中，我们可以清楚地看到，对于比较大的空间区域，混乱度正比于面积会比正比于体积小得多。

因而，贝肯斯坦与霍金的结果告诉我们，在某种意义上，一个包括了引力的理论将比一个没有包括引力的理论简单些。包括了引力的理论所必须描述的“自由度”将更少——能够变化因而会对混乱度有贡献的东西更少。这一认识本身就非常有趣，而假如我们沿着这种思路更进一步的话，我们就将发现一些极为古怪的事情。如果任意给定的空间区域内的熵的最大值正比于空间的表面积而不是体积的话，那么真正基本的自由度——那些能够带来混乱度的特性——或许存在于区域的表面而不是内部。或许，宇宙中真正的物理过程都发生在一张薄薄的环绕着我们的遥远表面上，我们所看到和体验到的一切只不过是这些过程的一个投影。或许，宇宙就像全息图一样。

这一想法非常古怪，但正如我们将要论及的那样，它最近得到了很多实质性的支持。

宇宙是一幅全息图吗

所谓的全息图实际上是一张二维的塑料板，但这张塑料板上所刻蚀的内容在适当的激光照射下会投影出三维的图像。早在20世纪90年代，荷兰诺贝尔奖得主杰拉德·特霍夫特与弦论的另一个创造者莱昂纳德·萨斯金就曾提出，宇宙本身的运行模式可能就像全息图一样。这两位物理学家提出了一个惊人的想法：我们在日常生活的三维世界中所观测到的过去、现在和将来可能是发生在遥远的二维表面上的物理过程的全息投影。按他们新奇的观点，我们和我们所看所做的一切就像全息图一样。在柏拉图看来，普通的人类感知所感受到的只不过是真实的影子，全息原理承认这一点，只不过认为位置应该颠倒一下。影子——那些存在于低维表面的扁平家伙——才是真实的，而看起来结构更加丰富的高维事物（我们，以及我们周围的整个世界）反倒是影子那轻盈的投影。

尽管这是一个相当不可思议的想法，并且我们也不知道这个想法究竟能在多大程度上帮助我们最终搞清楚时空，特霍夫特和萨斯金的所谓“全息原理”还是非常有启发性。正如我们在上一节中所讨论过的，空间中某块区域所能容纳的最大熵由该区域的表面积而不是体积决定。于是自然就会想到，宇宙最基本的组成，其最基本的自由度——携带着整个宇宙的熵的那些东西，就像携有《战争与和平》的熵的书页——就应该在宇宙的边界面上而不是在宇宙的内部。我们在宇宙的“体内”——用物理学家常说的话即为“在体空间（bulk）中”——所体验的一切，实际上是由发生在边界面上的物理所决定的，正如我们在全息投影中看到的一切是由刻蚀在塑料板上的信息编码决定的一样。物理定律如同宇宙的激光，照亮宇宙的真实过程——发生在远方薄薄的表面上的过程——并产生出我们日常生活的全息幻象。

我们还没能搞明白究竟怎样才能在真实世界中实现全息原理。困难之一在于我们对宇宙的传统描述，将宇宙想象成无限膨胀下去或者蜷曲回自身——就像球面或者电子游戏屏幕那样（参见第8章），不管怎样宇宙都不会有什么边界。这样一来，这个所谓的“边界全息面”究竟该被安置在哪就成了问题。而且，物理过程看起来不就是在我们的掌控之中吗？不就是发生在宇宙内部吗？怎么看也不像是连其位置都弄不清楚的边界的事物决定了体空间中发生的一切。难道全息原理要告诉我们的是，那种种一切尽在掌控的感觉和自主意识其实都是虚幻的？又或者我们应该将全息原理看成某种对偶性？根据这种对偶性，每个人可以基于品味而不是物理选择熟悉的表述方式——在体空间中起作用的基本物理定律（这种体空间内的物理定律符合人类的直觉与感知），或者不熟悉的表述方式——在宇宙边界上起作用的基本物理定律，这两种视角彼此等价。关于这些重要的问题目前仍有很多争议。

1997年，在先前几位弦论学家的启迪下，阿根廷物理学家胡安·马达西纳取得了重大突破，出人意料地推动了对这些问题的思考。马达西纳的发现并没有直接回答全息原理在我们的真实世界中所扮演的角色问题，他只是按照传统的物理学家风格，找到了一个理想模型——一个假想的宇宙，在这个假想的宇宙中，关于全息原理的各种奇思妙想可以通过数学变得具体而精细。出于技术上的原因，马达西纳研究了一个具有4个空间维度和1个时间维度的假想宇宙，并且假定这个宇宙的所有维度都有相同的负曲率——你可以把这样的假想宇宙想象成图8.6（c）中那样的品客薯片。标准的数学分析表明这个五维时空有一个边界，并且就像所有的边界一样，这个边界也比它所包裹的形状少1个维度：也就是说该边界有3个空间维度和1个时间维度（和以前一样，我们还是很难想象高维形状的样子，所以你要是非得在脑海中想点什么东西的话，那就想象有一听番茄罐头——罐头盒中的三维番茄就可以类比于五维时空，而罐头盒表面的二维铁皮就类比于我们所要讨论的四维时空边界）。马达西纳又将弦论所要求的那些额外的蜷曲维度考虑进来，然后他满怀信心地提出：一个生活在这个假想宇宙中的观测者（番茄罐头中的观测者）所见证的物理可以由发生在这个宇宙边界上的物理（罐头盒表皮上的物理）全盘描述。

尽管这一研究工作所讨论的内容并不是真实世界的物理，但它却给出了将全息原理具体实现的第一个坚实且可数学化处理的例子。注46依靠这种办法，人们对于将全息原理应用于整个宇宙多了一些概念上的认识。比如说，在马达西纳的工作中，物理定律的体空间描述和边界描述是完全等价的，两者之间不存在谁高谁低的问题。这里的精神实质就如同5种弦论之间的关系，体空间理论与边界理论彼此互为转译。这种特殊翻译的不平凡之处在于，体空间理论比等效的边界理论有更多的维度。另外，体空间理论中包括了引力（因为马达西纳是靠弦论得出这些结果的，而弦论是包括了引力的），而计算表明边界理论中则不包括引力。不过，在一个理论中提出的任何问题或者完成的任何计算都可以被翻译为另一个理论中的问题和计算。尽管不熟悉字典的人可能会认为两个理论中彼此对应的问题与计算一点关联性都没有（比如说，边界理论没有包括引力，因而在体空间理论中与引力有关的问题都得被翻译成边界理论中面目全非的无引力问题）；但是一个对于两种语言都很熟悉的人——同时为这两种理论的专家——却能看出两者之间的对应关系，并且会知道在不同理论中对应问题的答案以及对应计算的结果必定彼此符合。事实上，到目前为止完成的所有计算全部支持这一论断。

注46：对更加偏爱数学语言的读者，马达西纳的工作是在AdS5×S5的框架下展开的，其边界理论来自AdS5的边界。

要想搞清楚这其中的种种细节显然是很困难的，但不要被这些细节遮住了要点。马达西纳的结果非常神奇。他在弦论的框架下，具体地实现了全息原理，虽然仅是一种与现实世界无关的理论上的讨论。马达西纳证明了某种没考虑引力的量子理论其实是另一种包括了引力且多一个空间维度的量子理论的翻译，而且两者无法区分。而为了将这些思想应用于更加真实的宇宙——我们的宇宙——而展开的研究计划正在进行中，但由于技术上的复杂性，进展非常缓慢（马达西纳之所以选择了一个假想的研究对象就是因为他所选用的研究对象在数学分析上稍微容易一些，而更加接近于真实的例子则很难对付）。不管怎样，我们现在已经知道了弦论——至少在某种程度上——有能力支持全息原理的概念。而且，就像早前讲过的几何翻译的例子，这里讲到的全息原理也提供了一条时空不具有基本性的线索，除了时空的尺寸和形状可以在不同的理论之间来回翻译，空间维度的数目也可以在完全等价的不同理论之间改变。

越来越多的线索都指向同一个结论：时空的形式只是一个无关紧要的细节，在不同的物理理论体系下，时空的形式会发生改变，而不是具有真实性的一个基本元素。就像单词cat的字母数、音节以及元音全都不同于其西班牙语翻译gato一样，时空的形式——其形状、大小以及维数——也会在翻译过程中有所改变。对于任何一位运用某种理论来思考宇宙的观测者来说，时空看起来都是那么真实且不可或缺。而一旦这位观测者将其理论体系变变样子，用一个等价的翻译版再去分析，就会发现先前的真实与不可或缺已不再成立。因而，如果这些想法是正确的——我必须强调它们已被严格证明——那空间和时间的地位就会被强烈动摇。

在本章讨论过的所有例子中，我认为最有可能在未来的研究中扮演重要角色的将是全息原理。全息原理发端于黑洞的一个基本性质——黑洞的熵，而很多物理学家都会同意，对黑洞的熵的认识需要坚实的理论基础。即使我们现有理论的细节需要有所改变，任何合理的引力理论也都必须为黑洞留有一席之地，于是从中得出的有关熵界的讨论将继续有效，全息原理也仍有用武之地。弦论自然而然地顺应全息原理——至少在可应用数学分析的例子中是这样的，是全息原理可靠有效的另一个强有力的证据。我认为，不管未来有关空间和时间的基础的研究会把我们带到哪里，也不管等待我们的是弦论或M理论的哪种疯狂变种，全息原理都将继续保持其先导性概念的地位。

时空的组分

纵观全书，我们时不时地就会提到时空的超小尺度组分，尽管我们进行了很多有关其存在性的间接讨论，但到目前为止我们还没有谈过它们究竟可能是些什么。之所以如此实在不得已，因为我们根本不知道它们是些什么。或者，我可以这么说，一旦需要辨识时空的基本成分时，我们才发现我们根本不知道令我们信心满满的究竟是些什么。尽管这是我们思考过程中的一个主要障碍，但还是有必要从历史发展角度来仔细看看这个问题。

要是你能够对19世纪晚期的科学家做一个问卷调查，看看他们对物质的基本组成有些什么样的看法，你会发现根本找不到一个大家普遍认同的答案。一个多世纪前，原子假说还有很多争议，很多著名的科学家——欧内斯特·马赫就是其中之一——认为原子假说是错误的。而且，从原子假说被广为接受的20世纪前叶开始，科学家们就没有停止过更新原子论的图像，越来越多的基本组分被不断提出（比如说，先是提出了质子和中子，后来又提出了夸克）。沿着这条路一路走来，最新的一步就是弦论。但是因为弦论一直不能得到实验的证实（即使弦论被实验证实，那也并不意味着排除了其他有待发展的更高级理论），我们必须坦白承认对自然界中的物质的基本组成的研究尚未到头。

空间和时间被纳入现代科学理论可追溯到牛顿时代的17世纪，而对其微观组分的严肃思考则需要20世纪广义相对论和量子力学的发现。因而，从时间角度说，我们对时空的研究才刚刚起步；因而，不能给时空“原子”——时空最基本的组分——一个明确的说法并不是这个研究项目上的一大污点，甚至可以说是远远不是。我们所得到的已经够多了——我们已经搞清了大量完全有别于日常经验的时空性质——这已经证明我们比一个世纪前进步了很多。对大自然的最基本元素——不论是物质的基本组分还是时空的基本组分——的研究，将会是我们在未来一段时间内所面临的强大挑战。

对于时空来说，在寻找其基本组分方面目前存在两个大有希望的方向。其中之一为弦论，而另一个则是所谓的圈量子引力理论。

弦论的方案要么令你直觉上觉得很不错，要么令你感到非常困惑，全看你究竟把它想得多难。当我们说到时空的“结构”时，我们的话中已经暗含了弦论的提案，或许时空就是由弦编织起来的，就像衬衫是由线编织起来的那样。这就好比将大量的线按照一定的模式连接起来就产生了衬衫的结构，或许将大量的弦按照一定的模式连接起来就产生了我们通常称为时空结构的东西。物质，比方说你和我，则可归结为振动的弦的再次聚合——就像明快的音乐是由一个个单调的声音组成或是漂亮的绣花是由朴素的材料织成，而物质还将在时空的弦织成的框架中移动。

我认为这是一个引人入胜的想法，可惜还没人能够将它转变成精确的数学语言。我只能告诉你，它实在是比你想象的还要难对付。比方说，要是你的衬衫被完全扯烂了，就会剩下一堆线头——虽然视环境不同，你可能会感到难堪或者恼火，但不会感到有什么神秘之处。而讨论的对象变成弦的话——在我们讨论的这个想法中，弦就是用来编织时空的线——那就颇费脑力了（至少对我是这样）。我们究竟该怎样看待这“堆”从时空布片上扯下来的弦？或许更为切中要害的说法应是，我们究竟该怎样看待还没有缝合成时空之布的弦呢？我们可能会简单地将这些弦类比成织成衬衫的线——就将弦想象成需要编织起来的原材料——但要这么想的话就丢掉了一个极其重要的细节。在我们勾画的图像中，弦是在时空中振动。但是，若时空之布是由弦有序编织起来的话，就根本没有空间，也没有时间。在我们要讨论的这个想法中，空间和时间的概念根本就没有意义，除非数不胜数的弦交织起来编成时空。

因而，要想令这个方案有意义，我们还需要一个理论框架来描述弦。在这个框架下，我们用不着从一开始就假定弦在默认存在的时空中振动。我们需要一个无空无时的弦论体系，在这个体系中，时空来自弦的集群效应。

尽管我们在这个方向上已经取得了一些进展，但还没人能够给出这样一套无空无时的弦论体系——物理学家将具有这种属性的体系称为不依赖于背景的体系（使用这样术语的原因在于，物理学家们将时空视作一个不严格的背景，以区别于发生于其中的物理事件）。与之相反的是，本质上所有的方法都认为，弦是在时空中移动以及振动，而时空的概念则是“用手”放到理论中的；时空并非脱胎于理论本身——在物理学家设想的不依赖于背景的体系中，时空就应该来自理论本身——而是由理论学家添加到理论中去的。很多研究者将不依赖于背景的体系的发展看作弦论所面临的未解决问题中最重大的一个。不依赖于背景的体系的发展不仅会对我们关于时空起源的认识有所启发，还可能是我们在第12章最后遇到的重大问题——理论目前还不能挑选出额外维度的几何形式——的解决工具。一旦其有关任意给定时空的数学公式问题得以解决，我们的研究就可以进行下去，弦论也将有能力勘察所有的可能性，并从中找出正确的那个。

“把弦当作织起时空之线”这个方案所面临的另一大难题在于，如我们在第12章中讲过的，弦论中除了弦还有其他东西。这些其他组分在时空的基本组成中扮演的又是什么角色？这一问题在膜世界方案中变得尤为尖锐。如果我们所感受到的三维空间是一个3膜，那么这个膜究竟是本身即不可再分呢？还是由理论中的其他组分构成呢？比方说，膜究竟是由弦构成的呢？还是说膜和弦都具有基本性呢？或者我们还需要考虑其他的可能性吗？比方说膜和弦其实都是由更基本的元素构成这种可能性。这些问题就是现今的研究前沿。但既然这最后一章所关注的只是迹象与线索，就让我讲一个引起诸多关注的相关思想。

稍早前，我们讲过人们可以从弦论或M理论中找到各种膜：1膜、2膜、3膜、4膜，如此等等。尽管之前我没特意强调过，但理论中也可以有0膜——没有空间延展性的组分，就像点粒子那样。0膜看起来与整个弦论或M理论格格不入，弦论或M理论本来就是要从点粒子理论的框架下解脱出来，以调和量子引力中剧烈的波动。然而，0膜就跟它那如图13.2所示的高维兄弟们一样，附着于弦而来，因而其相互作用完全受弦掌控。所以，毫不奇怪的是，0膜不会有同传统的点粒子一样的行为；而且，最重要的是，0膜彻底参与到超微观时空涨落的延展及减弱中；0膜并不会重新引入困扰着同样试图融合量子力学和广义相对论的点粒子方案的致命缺陷。

事实上，罗格斯大学的汤姆·班克斯，得克萨斯大学奥斯丁分校的威利·费施勒，以及斯坦福大学的莱昂纳德·萨斯金和史蒂芬·森克尔提出了一个弦论或M理论，在这个理论中，0膜才是基本组分，它们可以组合到一起生成弦及其他高维的膜。这一提案，所谓的矩阵理论（matrix theory）——M理论中的M的又一层意义——引发了一股后续研究热潮，但是其中所涉及的数学如此之难，以至于到目前为止科学家们还没法将这个理论完善起来。不过，物理学家们在这个理论框架下努力完成的计算看起来是支持这一提案的。如果矩阵理论正确，那就意味着一切事物——弦、膜，甚至时空本身——都是由0膜的恰当集合构成。这一理论的研究前景令人振奋，研究者们持谨慎的乐观态度，认为未来几年的进展将使人们了解该理论的有效性。

到目前为止，我们一直沿着用弦论研究时空结构的道路前进。但正如我提到过的，还有另一条道路，它来自弦论的主要竞争对手——圈量子引力。圈量子引力出现于20世纪80年代，是另一种有希望将广义相对论和量子力学融合起来的方案。我不打算详细讲解该理论了（如果你有兴趣，可以看看李·斯莫林的优秀作品——《量子引力的3条道路》），但会提一下对我们目前的讨论特别有意义的几个关键点。

弦论和圈量子引力全都宣称自己实现了人们长久以来寻找引力的量子理论这个目标，但两者达到这一目标的方式却完全不同。取得成功的粒子物理学几十年来的传统就是寻找物质的基本组成，弦论发轫于粒子物理；对于弦论的最早研究者来说，引力最多只是一个稍远的次要关注点。与之相反的是，圈量子引力则脱胎于一个与广义相对论紧密相连的传统；对于这一方法的大量研究者来说，引力一直都是主要焦点之所在。一言以蔽之，弦论学家从小（量子理论）开始，进而包围大（引力），而圈量子引力的追随者则从大（引力）开始，进而包围小（量子理论）。事实上，正如我们在第12章中看到的那样，弦论最初是作为在原子核内起作用的强核力的量子理论发展起来的；后来人们才偶然认识到，弦论实际上可以将引力纳入其中。而另一方面，圈量子引力从爱因斯坦的广义相对论出发，试图将量子力学纳入其中。

弦论与圈量子引力这两个理论彼此首尾对应。在某种意义上，一个理论所取得的重大成就将是另一个理论的重大挫折。比方说，弦论试图用振动着的弦的语言来融合所有的力与所有的物质，其中也包括引力（避开圈方法的完整统一）。传递引力的粒子引力子，只不过是弦的一种特殊振动模式，因而弦论可以很自然地用量子力学的语言描述这些基本的引力丛如何运动、如何相互作用。然而，正如我们刚刚提到过的，弦论体系目前主要的缺陷即在于预先假定了弦运动以及振动于其中的时空的存在。相反，圈量子引力的主要成就——这一点令人印象深刻——则在于其并不假定时空的存在。圈量子引力就是一个不依赖于背景的体系。然而，从这个极其陌生的以无空、无时为起点的理论中，抽取出普通的空间和时间，以及在大尺度上获得人们熟悉且已取得成功的广义相对论的性质（用目前的弦论体系可能很容易做到），却远非易事。而且，与弦论相比，圈量子引力在对引力子动力学的理解上几乎没有前进半步。

也有一种调谐两者的可能性，即弦论的追随者与圈量子引力的拥趸所构建的可能是同一种理论，只不过出发点相差巨大。这两种理论都与圈有关——在弦论中，圈就是弦圈；而在圈量子引力中，不用数学语言实际上很难描述圈指的到底是什么，但大体说来指的是空间的基本圈，这可能意味着两者之间有某种联系。而对于少数在两个理论中都可以很好的研究地问题，比如说黑洞的熵，两个理论给出的结果完全相符，这个事实也进一步支持了两者可能是同一理论这种可能性。而且，在时空组分的问题上，两者都提出时空可能有某种微小的结构。我们已经知道了弦论所提供的有关这一问题的线索，而来自圈量子引力的线索虽然复杂但是更具说服力。圈方面的专家已经证明，圈量子引力中的无数圈可以彼此交织在一起——就像细细的羊毛卷可以编织成毛衣——生成在大尺度上看起来如同时空中的区域一般的结构。最令人欢欣鼓舞的是，圈方面的专家计算出了这种空间表面可以容许的面积。什么意思呢？比方说你可以找到1个电子、2个电子或者202个电子，但你就是不能找到1.6个电子或其他分数个电子。圈量子引力的专家们用计算证明，他们找到的空间的表面积只能是1普朗克长度的平方或者2普朗克长度的平方，又或者202普朗克长度的平方，总之不会是分数个普朗克长度的平方。再次重申，这是一个空间——就像电子——具有不可再分的结构的重要理论线索。

若要我斗胆猜一猜未来的发展的话，我估计圈量子引力学家们开发的不依赖于背景的体系会为弦论学家借用，为不依赖于背景的弦论体系开道铺路。我猜，这星星之火可能会燃起第三次弦论革命；乐观估计的话，这第三次弦论革命可能会解开很多深奥的谜题，这样的进展可能会为有关时空的漫长故事画上圆满的句号。在较早的章节中，我们有关空间、时间以及时空的观点就像钟摆一样，在相对论者与绝对论者之间摆来荡去。我们曾问道：空间是具体的还是抽象的？时空是具体的还是抽象的？而人类在过去几个世纪的思考，带给我们的却是各种彼此不同的观点。我相信，一个能够在实验上验证的，可以将广义相对论和量子力学联合起来的不依赖于背景的理论将会为这些问题提供令人满意的答案。由于这样的理论所具有的不依赖于背景的特性，这个理论中的不同部分会彼此关联，但这个理论中不会有从外面放进去的时空，理论中的各个元素将找不到一个搭好的背景舞台。重要的将只是相对关系——这是一个具有莱布尼茨或者马赫这样的相对论者所持有的精神实质的答案。那么，由于该理论中的组分——弦、膜、圈，或者在未来的研究中发现的其他什么东西——结合起来产生了我们熟悉的大尺度时空（不论是我们的真实时空还是在假想实验中有用的理论例子），时空重新变得具体起来。这一点类似于我们之前对广义相对论的讨论：即使在一个空空如也、平直、无限大的时空中（一个有用的假想例子），旋转着的牛顿的桶中的水面也会凹陷。关键之处在于，时空和更加切实的物质之间的界限会变得模糊，因为两者都来自理论——在基本层面上无空无时的理论——中更加基本的元素的适当集合。如果最终的答案真是这样，那莱布尼茨、牛顿、马赫以及爱因斯坦就都要宣布分享胜利了。

太空的里外

预测科学的未来既有趣又富于建设性。预测科学的未来就是要在更为宽广的背景中看待我们今日之事业，特别是我们为之努力的目标。但要说到猜想有关时空自身的研究的前景，那就难免会带有某种神秘色彩了：因为我们所要思考的乃是主宰着我们对真实性的理解的概念。再次重申，不论未来有何发现，空间和时间无疑都将继续扮演我们个人体验的载体这个角色；空间和时间，无论时光如何流逝，都将一成不变。将会持续发生改变的，将会发生不可思议的变化的，乃是我们对空间和时间所提供的框架——从实验的真实性角度说，空间和时间为我们搭建的舞台——的理解。几个世纪的思索之后，空间和时间仍然是我们最熟悉的陌生人。空间和时间从不介意现身于我们的日常生活，却始终巧妙地将自己的基本组成掩藏于其无处不在的影响力之下。

在过去的20世纪，通过爱因斯坦的两个相对论，通过量子力学，我们已经对先前那些隐藏起来的空间和时间之特性不再陌生了。时间的变慢，同时性的相对性，其他的时空片，作为空间和时间蜷曲和弯曲原因的引力，真实性的概率性，长程量子纠缠，所有的这些问题早已超出了19世纪时世界上最棒的物理学家的研究计划，但实验数据与理论诠释可以证明，这些问题的确存在。

在我们这个时代，我们也有能使自己震撼的奇思妙想。暗物质和暗能量看来必是宇宙的主要成分。爱因斯坦的广义相对论所预言的引力波——时空结构中的波纹——在未来的某一天可能会使我们有机会洞察时间。遍布整个空间的希格斯海，一旦得到实验的证实，将会帮助我们搞清楚粒子如何获得质量。暴胀式膨胀，有可能解释宇宙形状，解开宇宙在大尺度上的各向同性之谜，并为时间之箭点明方向。弦论用圈和能量片代替点粒子，并且承诺实现爱因斯坦之梦——用一个单独的理论统一所有的粒子和所有的力。弦论的数学中自然出现的额外空间维度，有可能在未来10年内通过加速器实验得以验证。在膜世界理论中，我们的三维世界被假定为漂浮在高维时空中的众多世界中的一个。甚至就连时空本身也成了问题，空间和时间的微观结构本身就是由更基本的无空无时的实体构成。

接下来的10年间，前所未有的强大加速器将为物理学家们提供急需的大量数据；很多物理学家都相信，从计划中的高能实验中收集的数据将验证很多我们讲过的新理论。我也无法免于这种狂热，也在急切地期盼着结果。在我们的理论能够与可观测量、与可检验的现象联系起来之前，它们一直徘徊在危险的边缘——它们是否能同真实世界关联起来还没人知道。新的加速器能将实验与理论更加紧密地联系起来，我们这些物理学家希望新的加速器能将大量的想法变成扎实的科学理论。

但还有另外一种令我觉得奇妙到无与伦比的想法，虽然其胜出的机会非常之小。在第11章中，我们讨论过如何在清晰的夜空中看到小小的量子涨落效应，其根据就是宇宙的膨胀会将这小小的量子效应充分拉伸，使之聚团，成为恒星和星系的种子（还记得我们做的那个类比吗？气球上的涂鸦随着气球的膨胀而在气球表面延展开来）。这个例子展示的就是通过天文学观测探索量子物理的办法。而且我们还可以进一步深入下去。或许宇宙的膨胀会使更小尺度上的过程的印记或特征——有关弦之物理，或者更普遍意义上的引力，或者超微观尺度上时空自身的微小结构——得以放大，并通过复杂但可以通过天文学办法观测的方式使其影响得以彰显。或许，宇宙已经将其微小纤维或结构在天空中清楚地画了出来，我们需要做的只是对其特征加以识别。

对深层次物理前沿理论的检验可能需要能够重新创造出大爆炸之后从未再现过的猛烈瞬间的强力加速器。但对我来说，比起确证我们有关超小尺度的理论——我们有关超小尺度上的空间、时间，以及物质组成的理论，没有什么其他的理论能更具诗情画意，也没有什么其他结果更为优雅，更不会有什么其他的统一理论会更加完备了。