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量子空间是什么？

138亿年前，我们现在所身处的弯曲时空诞生了——没人知道它是如何出现的，也没人知道它为何出现，我们只知道如今的它仍在膨胀。这个时空是真实存在的实体，是一种物理场，其动力学由爱因斯坦方程描述：时空在物质的质量影响下弯曲，如果物质很密集质量很大，空间就会陷入黑洞——一个时间和空间的“无底洞”。物质分布在可见宇宙的万亿个星系中，每个星系平均约包含千亿颗恒星，这些物质都由量子场构成，要么以粒子的形式显现，要么以波的形式出现。这些量子场组成了原子、光以及宇宙的全部可见物质，都是由量子力学来描述。我们现在对宇宙的全部理解，一是依靠广义相对论，从中发展出了宇宙学、天体物理学，以及对引力波和黑洞的研究；二是依靠量子力学，从中发展出了原子物理学、核物理学、基本粒子物理学、凝聚态物理学以及许多其他分支。通过这两个理论构建出了一幅宇宙图景，科学家们近乎可以描述一切所见。但是，请记住一点，只是“近乎”，并非百分之百，还是有些东西被物理学理论漏掉了，得不到解释！早在上个世纪，物理学家们就已意识到在广义相对论和量子力学之间有些矛盾很令人烦恼，所以这两个理论都不可能完全正确：广义相对论对引力场的描述没有把量子力学考虑进来，而量子力学没有考虑到由爱因斯坦方程所描述的空间弯曲。一名大学生早上听了广义相对论的课，说宇宙时空是连续的、弯曲的；下午又听了量子力学的课，世界又变成了不连续的能量量子跃迁和三种力（电磁力、弱核力和强核力）作用于其中的平直空间，会不会在心里会抱怨那些教授是傻瓜？其实不必抱怨，因为在每一个常规的实验和检验中，大自然一直在对广义相对论说“你是正确的”，同时也一直在对量子力学说“你也是对的”，尽管这两个理论看似既然相反。很显然，有些东西还未被发现。在绝大多数情况下，我们可以忽略广义相对论和量子力学，甚至两者都忽略。这是因为，月亮太大了，根本不会受到微观的量子分立性的影响，因此在描述月亮或其运动时根本无需量子力学。而另一方面，原子和亚原子粒子又太轻了，不可能将时空弯曲到不可忽略的程度，因此在描述它们时广义相对论同样可以被忽略。但是，在某些特定的场景中，时空的弯曲和量子的分立性同时都不能被忽略，比如黑洞内部和宇宙大爆炸发生的前一刻。对于这两个特定的场景，目前的理论让人困惑，因为它们无法合理地告诉我们任何东西，量子力学无法处理时空的弯曲，广义相对论无法解释量子效应。这就是矛盾所在，也就是人们所说的“量子引力”问题。在黑洞的中心和宇宙大爆炸发生的前一刻，空间和时间度应该是量子化的，但量子空间和量子时间到底是什么呢？目前，全世界五大洲的物理学家们都在努力解决这一难题，他们的目标就是找到一个融合两者的量子引力理论。

纵观人类社会的物理学发展史，矛盾的出现同时也带来了重大的机遇。过去类似的问题得到解决如今已得到了回报。比如说，牛顿融合了伽利略的物理学和开普勒的物理学，得到了万有引力理论；麦克斯韦和法拉第将电和磁的理论融合在一起，得到了电磁场方程；爱因斯坦解决了牛顿力学和麦克斯韦电磁场之间的矛盾，得到了狭义相对论，后来又创立了广义相对论用以解决牛顿力学和狭义相对论之间的矛盾。如今，对于广义相对论和量子力学之间的矛盾，难道不是一个绝佳的机遇吗？现在的问题是，他们能够找到吗？还需要多长时间？

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