这个问题似乎只有一个可能的答案。宇宙之外的东西做了选择。如果事情就是这样发展的，那么这一点会让科学转变为宗教。或者，更确切地说，用科学来论证宗教将是合理的。在神学领域，以及从某些科学家那里，我们已经听到了很多相关论述，即基于我们称之为人类观察（anthropic observation）的讨论。我们生活的宇宙似乎很特别，要使宇宙存在数十亿年并孕育出生命，就必须满足某些特殊条件：基本粒子的质量和基本力的强度必须与我们实际观察到的值非常接近。如果这些参数超出了某些狭窄的界限，宇宙就将不适合生命生存。这就提出了一个合理的科学问题：既然可能存在不止一个自洽的法则，为什么自然法则的参数恰好会落在生命所需的狭窄范围内呢？我们可以称之为人类问题（anthropic question）。
如果有不同的自洽的自然法则，但没有统一它们的框架，那么人类问题只可能有两种答案。其一，我们确实很幸运。其二，法则规定的任何实体都是为了生命的出现和存在。在这种情况下，我们有一个关于宗教的争论。这个争论是被神学家所熟知的“夹缝中的上帝”的争论的一个版本。如果科学提出了一个像人类为何会出现这样的问题，而这个问题不能通过遵循自然法则的过程来回答，则人们有理由求助于上帝这样的外部存在。这一观点的科学版本被称为强人择原理（strong anthropic principle）。
请注意，只有在除非通过调用宇宙之外某个实体的行为，否则没有办法解释自然法则是如何被选择的情况下，这个论证才有效。大家可能还记得我在这本书的开头强调的原则：宇宙之外没有任何东西。只要有一种不违反这一原则的方法来回答所有的问题，我们就是在做科学研究，就不需要任何其他的解释方式。因此，只有在没有其他可能性的情况下，强人择原理的论证才具有逻辑力量。
但还有另一种可能性，即可能性3。虽然有点像可能性2，但可能性3与可能性2之间有一个重要的区别。如果不同版本的弦理论描述了一个理论的不同阶段，那么在适当的情况下，宇宙就有可能从一个阶段过渡到另一个阶段。就像冰融化成水一样，宇宙可以从一个由弦理论描述的阶段“融化”为另一个由其他弦理论描述的阶段。但我们仍然有一个问题，为什么是这一个阶段描述了我们的宇宙，而不是另一个？这并不难解决，因为在这幅图景中，宇宙被允许随着时间的推移而改变。也有可能宇宙的不同区域以不同的阶段的形式存在。
考虑到这些可能性，至少有两种方法可以替代“夹缝中的上帝”的观点。其一，有一个过程创造了许多宇宙。现在我们不必担心这个过程是什么，因为宇宙学家已经找到了几种有吸引力的方法来创造一个不断更新的宇宙。大爆炸不是所有存在的事物的起源，而是一种相变。通过这种相变，在一个不同于原来的相的地方，一个新的空间和时间区域被创造出来，然后冷却和膨胀。在这种情况下，可能会有许多大爆炸，会产生许多宇宙。天体物理学家马丁·里斯（Martin Rees）对此起了一个好听的名字，他将整个系列称为“多元宇宙”（multiverse）。这个过程有可能以随机的相创造宇宙，每一个都由不同的弦理论控制。这些宇宙将有不同的维度和几何结构，也将有不同的基本粒子集合，这些粒子根据不同的定律相互作用。如果存在一个可调参数，那么每次创建一个新宇宙时，它都可能是随机设置的。
所以有关人类的问题有一个简单的答案。在所有可能存在的宇宙中，少数将拥有适合生命存在的法则。既然我们还活着，我们的宇宙自然就是其中之一。既然有很多的宇宙，我们就不必担心这些宇宙都不太适合生命存在，因为它们中至少有一个非常适合。那就没什么好解释的了。马丁·里斯如是说：如果有人在路边发现了一个包，里面装着一套非常适合他的衣服，那就太奇怪了。但如果一个人走进一家服装店，找到一套适合自己的衣服，那就没什么神秘的了，因为店里有很多不同尺码的衣服。我们可以称之为夹缝中的上帝，或者是弱人择原理（weak anthropic principle）。
这种解释的唯一问题是，很难看出它如何能被驳斥。只要你的理论可以产生大量的宇宙，你只需要找出至少一个像我们地球这样的宇宙即可。除了做出至少存在一个像地球这样的宇宙的预测之外，这个理论没有做出其他任何预测。但是我们已经知道了，所以没有办法反驳这个理论。这可能看起来不错，但实际上并非如此，因为一个无可辩驳的理论不能真正成为科学的一部分。它不能承载太多的解释力，因为无论我们的宇宙有什么特征，只要它能被众多的弦理论之一所描述，这个理论就无法被反驳。因此，它不能对我们的宇宙做出新的预测。
是否可能有一种理论对人类问题给出科学的答案？这样的理论可能是围绕着宇宙可以从一个相到另一个相进行物理转换的可能性来构建的。如果能回溯到宇宙大爆炸之前的历史，我们可能会看到一个或一系列不同的相，其中宇宙有不同的维度，并似乎满足不同的规律。大爆炸将只是宇宙经历的一系列转变中最近的一次。即使每个相都可能被一个不同的弦理论所控制，整个宇宙的历史也会被一个单一的M理论所控制。然后，我们需要从物理学的角度来解释为什么宇宙“选择”以这样一个相存在。比如我们存在的这个相，成功存在并延续了数十亿年，并且孕育出了生命。这里有几种不同的解释，在我的另一本书《宇宙的生命》中有详细的描述，所以在这里我只简单介绍一下。
其二，新的宇宙可以在黑洞内部形成。在这种情况下，我们的宇宙将会有大量的子代，因为它至少包含1018个黑洞。人们也可以推测，从旧宇宙到新宇宙的规律变化是很小的，因此重新形成的每个新宇宙的规律都与我们现存宇宙的规律很接近。这也意味着宇宙中新形成的规律与我们自己的规律没有太大的不同。有了这两个假设，一种类似于自然选择的机制就开始发挥作用，因为经过许多代之后，那些产生许多黑洞的宇宙将主宰宇宙的数量。该理论预测，一个随机选择的宇宙会比那些参数值略有不同的宇宙产生更多的黑洞。然后我们可以讨论，我们的宇宙是否满足这个预测。长话短说，到目前为止情况似乎就是这样。原因是碳化学不仅对生命有益，而且在形成大质量恒星并最终形成黑洞的过程中起着重要作用。然而，有几个可能的观测结果证明这个理论是错误的。因此，不同于“夹缝中的上帝”及其理论，这个理论很容易被反驳。当然，这就意味着它很可能被推翻。
这个理论的重要之处在于，它表明除了强人择原理和弱人择原理之外，还有其他的可能性。如果是这样，那些原理就没有逻辑力量了。除此之外，宇宙自然选择理论（cosmological nature selection）表明，物理学可以从生物学中学到关于科学解释方式的很多东西。如果我们想坚持自己的原则，即宇宙之外没有任何东西，则必须拒绝任何一种由一个外部存在给宇宙强加秩序的解释方式。有关宇宙的一切，必须且只能通过物理定律如何在其整个历史进程中起作用来进行解释。
生物学家已经就这个问题探讨了150多年，他们非常了解各种不同的机制的力量。通过这些机制，一个系统可以自我组织，其中包括自然选择，但这并不是唯一的可能性。最近人们发现了更多的自组织机制，其中包括自组织的批判现象，由佩尔·巴克（Per Bak）和他的合作者发现，并被许多人研究。理论生物学家斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）和哈罗德·莫罗维茨（Harold Morowitz）等人也研究过自组织的其他机制。因此，我们无法在此背景下考虑自组织机制的不足。这给我们的教训是，如果宇宙学要成为一门真正的科学，它就必须避免用外部存在来解释事物的本质。它必须从自己的角度来理解宇宙，就像地球的生物圈从化学反应开始，经过数十亿年的发展而形成一样。
把宇宙想象成类似于生物圈或生态系统的存在，可能看起来奇幻至极，但以自组织过程的力量创造一个极其美丽和复杂的世界的过程，却是我们所拥有的最好实例。如果要认真对待这一观点，我们应该问，是否有证据支持这一观点？宇宙的任何方面以及支配它的法则都需要用自组织机制来解释吗？我们已经讨论了其中的一个证据，那就是人类观察：基本粒子质量和基本力强度的明显不可能值。我们可以估计出，如随机选择基本粒子和宇宙学的标准理论中的常数，就可能产生一个碳化学的世界。这个概率小于1/10220。但如果没有碳化学作用，宇宙形成大量质量足够大的恒星从而形成黑洞的可能性就会大大降低，生命也不太可能存在。这是一些自组织机制的证据，因为所谓的自组织系统就是一个能够从普遍配置进化到特殊配置的系统。因此，我们能给出的最好的论证是，这样一种机制在过去起过作用的话，它必须包含两个部分：其一，系统以某种极不可能的方式构建；其二，外部的任何行动都不能将组织强加给系统。在我们的宇宙中，我们把第二部分作为一个原则。然后，我们满足了这两方面的论证，并证明寻找自组织机制来解释为什么自然法则中的常数被如此不可能地选择是合理的。
但同样的结论还有更好的证据。它就在我们面前，如此熟悉以至于一开始很难理解它也是一个巨大的非概率结构。这就是空间本身。一个简单的事实是，世界由一个三维空间组成，这个空间在几何上几乎就是欧几里得空间，它向四面八方延伸出巨大的距离，这本身其实是一种极不可能的情况。它可能看起来很荒谬，但之所以这样，是因为我们在精神上已经非常依赖牛顿的世界观。因为宇宙的安排有多大的可能性是无法事先回答的，而是取决于我们对空间的理解。在牛顿的理论中，我们假设世界处在一个无限的三维空间中。在这个假设下，我们感知周围的三维空间向各个方向无限延伸的概率是百分之百。当然我们知道空间不完全是欧几里得的，只是近似的。在大尺度上，空间是弯曲的，因为引力会使光线弯曲。由于这直接与牛顿理论的预测相矛盾，我们可以推断，牛顿理论错误的可能性是百分之百。
在爱因斯坦的时空理论中提出这个问题有点难，因为这个理论有无数的解。在许多解中，空间是近似平滑的，但在另外那些解中，空间是不平滑的。考虑到每个例子的数量都是无限的，如果随机选择一个解，那么要问产生的宇宙近似三维欧几里得空间的可能性有多大并不容易。
在量子引力理论中，这个问题却比较容易提出。要提出这个问题，我们就需要一种不假设空间存在任何经典的背景几何的理论形式。圈量子引力理论就是一个例子。正如第9章 和第10章中解释的那样，空间有一个原子结构，并且可以用罗杰·彭罗斯发明的自旋网络来描述。正如我们所了解到的，空间几何每个可能的量子态都可以被描述为一幅图（如图10-2到10-5所示）。然后我们可以提出这些问题：这样一个图表示空间的几何形状的可能性有多大？像我们这样生活在一个比普朗克尺度大得多的尺度上的观察者，会认为它是一个近似欧几里得几何的三维空间吗？自旋网络图上的每个节点对应的体积大概是普朗克长度的三次方。那么每立方厘米就有1099个节点。宇宙至少有1027厘米大小，所以它至少有10180个节点。空间看起来像一个近似平滑的欧几里得三维空间的可能性有多大，这个问题可以这样陈述：一个有10180个节点的自旋网络有多大可能代表一个平滑的欧几里得几何？
答案是，非常不可能！这里有一个类比来帮助我们理解其可能性有多小。为了表示一个明显平滑的、更少特征的三维空间，自旋网络必须有某种规则的排列，就像晶体。欧几里得空间中的任何位置都没有什么区别于其他位置的特别之处。对于这样一个空间的量子描述，至少在一个很好的近似值上也是如此。这样的自旋网络一定是类似于金属的。金属看起来很光滑，是因为它的原子是规则排列的，从而由包含大量原子的近乎完美的晶体组成。所以我们问的问题类似于宇宙中所有原子像金属一样排列成晶体结构，并从宇宙的一端延伸到另一端的可能性有多大。自然，这是极不可能的。但是每个原子内部大约有1075个自旋网络节点，所以它们都有规律排列的概率小于1/1075。
不过这也有可能是被低估了，可能性并不是那么小。有一种方法可以确保宇宙中所有的原子都排列在一个完美的晶体中，那就是将宇宙冻结到绝对零度，并使其压缩，使其密度大到足以使氢气形成固体。所以，也许代表世界几何的自旋网络是有规律地排列的，因为它是冻结的。
我们可以讨论一下这种可能性有多大。我们可以推断，如果宇宙完全是偶然形成的，它的温度处于最高可能温度的合理部分。最高可能温度是气体所具有的温度，其每个原子的质量和普朗克质量一样并且以相当于光速的速度运动。原因是如果温度超过了普朗克温度，分子就会坍缩成黑洞。现在，为了让空间中的原子有一个规则的排列，温度就必须远远小于这个最高温度。事实上，宇宙的温度是普朗克温度的10-32倍。一个随机选择的宇宙，达到这个温度的概率小于1/1032。所以，我们得出的结论是，宇宙如此寒冷的可能性非常小。
无论我们以何种方式进行估算，都会得出这样的结论：如果空间确实有一个离散的原子结构，它的原子就极不可能具有我们所观察到的那种完全平滑和有规律的排列属性。这确实需要解释。如果不是某个外部存在选择了宇宙的态，那么一定存在某种自我组织的机制在过去起作用，将世界推向了这种难以置信的态。宇宙学家研究这个问题已经有一段时间了。有人提出了一种解决办法叫膨胀机制（inflation）。通过这种机制，宇宙可以以指数级速度快速膨胀，直到它变成我们今天所观察到的平滑的、近似欧几里得几何的宇宙。膨胀理论解答了部分问题，但它本身需要某些不太可能具备的条件。要使膨胀发生作用，宇宙必须在至少是普朗克尺度105倍的尺度上保持平滑。而且据我们所知，膨胀至少需要两个参数的微调。其中之一是宇宙常数，它必须比量子引力理论中的自然值的10-60还小。另一个是某种力，在许多膨胀理论的版本中，这个力不能超过10-6。最终的结果是，要使膨胀起作用，我们需要一种可能性不超过10-81的情况。即使我们不考虑宇宙常数，我们仍然需要一个概率不超过10-21的情况。因此，膨胀理论可能是答案的一部分，但它不可能是完整的答案。
在比普朗克尺度大得多的尺度上，能够让空间看起来非常平滑和有规律的这种自组织的方法有可能成立吗？这个问题激发了最近的一些研究，但到目前为止还没有明确的答案。但如果我们要避免诉诸宗教，那么必须找到这个问题的答案。
空间最不可能、最令人费解的方面就是它的存在。我们生活在一个表面光滑、规则的三维世界这一简单事实，代表了发展中的量子引力理论面临的最大挑战之一。如果你环顾世界想寻找神秘现象，你可能会想到，最大的神秘现象之一就是我们生活在一个可以环顾四周、想看多远就能看多远的世界。量子引力理论的伟大胜利可能就是向我们解释为什么会这样。如果不是，那么那个说上帝就在我们周围的神秘主义者会证明他是对的。但其实，即使我们对空间的存在找到一种科学解释，并消除这样一个有神论的神秘主义者的船帆上的风，仍会有一些神秘主义者鼓吹：上帝才是宇宙整体自组织的力量。在任何一种情况下，量子引力理论能给世界的最大礼物就是重新认识到世界的存在是一个奇迹，并提供一种新的信念，这种新的信念至少可以帮助我们理解这个谜团的一些微小方面。
结语 量子引力理论未来的种种可能性
如果我的工作做得够好，那么你们将能够理解我们这些旨在完成20世纪物理学革命的人所提出的问题。我不知道以上所讨论的理论有多少是正确的，但我希望你们至少能理解什么是重要的，以及当我们终于发现量子引力理论的时候将意味着什么。我个人的观点是，这里讨论过的所有想法都将成为宏大图景的一部分，这也是我将它们全部写在此书中的原因。我希望我对自身观点的表达已经足够清楚，你们读过之后能够毫不费力地将它们与量子理论和广义相对论等已经确立的科学领域区分开来。
不过，最重要的是，我希望你们能够相信，支持我们寻找基本的法则和原理是值得的。因为我们的研究团队完全依赖于整个领域的支持，这种依赖是双重的。首先，对于空间和时间是什么，或者宇宙从哪里来这类问题，我们不是唯一关心的一批人，这一点很重要。当写第一本书的时候，我很担心自己没有把写书的时间用在科学研究上。但事实相反，我发现自己从与那些真正花时间去关注我们所做的事情的普通人的互动中获得了巨大的能量。与我交谈过的其他人也有同样的经历。最令人兴奋的事情莫过于把科学的最前沿信息传递给公众，然后发现到底有多少人关心我们的成败。如果没有这种反馈，我们就有可能变得陈腐和自满，只会以学术的狭隘标准看待自己的贡献。为了避免这种情况发生，我们必须保持一种信念，即我们的工作让我们接触到了关于自然的真实事物。许多年轻科学家都有这种信念，但在当今竞争激烈的学术环境中，要在一生的研究中保持这种信念并不容易。也许没有什么比与那些只带着强烈的学习欲望的人交流更能重拾这种信念了。
其次，我们大多数人除了这项工作外基本什么都没有做。由于我们没有什么可推销的，所以要依靠社会来慷慨支持我们的研究。与医学研究或基本粒子物理实验相比，我们的研究并不昂贵，但这并不能保证它的安全性。当今的社会环境中，研究的大方向是支持那些大型的、昂贵的科学项目，这些项目带来的资金水平可以促进那些决定支持哪种科学的人的职业发展。负责任的人也不会轻易将资金投入量子引力等高风险领域，因为迄今为止，量子引力还没有得到实验支持。最后，学院政治不但没有带来解决问题的方法，反而限制了其多样性。随着越来越多的职位被指定用于大型项目的建立和研究，可供年轻人研究自己想法的职位相应减少。不幸的是，这就是近年来量子引力研究的趋势。虽然这不是有意的，但它是衡量负责资金分配的官员和院长是否成功的程序导致的明显后果。如果不是因为一些负责资金分配的官员、部门负责人的原则承诺，以及一些私人基金会的支持，这种高风险低回报的研究怕是会有消失的危险。
的确，如果说量子引力研究不是高风险的话，那就不会有任何别的研究称得上高风险了。实验测试的缺乏意味着大批人可能工作了几十年，却发现他们完全是在浪费时间，或者至少没有做出什么成绩，只是消除了最初看起来对该理论有吸引力的可能性。从社会学的角度来看，弦理论目前看起来很好，大约有1 000名研究人员；圈量子引力理论是强大的，但研究人员少得多，只有大约100名；其他方向，比如彭罗斯的扭量理论，就只有极少数人在做相关研究。但30年后，重要的将只是哪些理论、哪些理论的哪些部分是正确的，其他的根本无关紧要。并且，一个人的好想法仍然值得数百人逐步推进，即使甚至不能解决基本问题。所以我们不能让学院政治的影响过度扩展，否则我们最终都会做同一件事，做同一种类型的研究。如果这种情况真的发生了，那么一个世纪后的今天，人们可能还在写关于量子引力的基本问题的书。如果要避免这种情况，那么所有的好想法都必须保留下来。更重要的是，要保持一种氛围，让年轻人觉得自己的想法有一席之地，不管最初的可能性有多小，也不管它们看起来离主流有多远。只要年轻的科学家还有提出新问题和聪明想法的空间，我认为就没有什么能阻止量子引力研究继续下去，直到我们有一个完整的量子引力理论。
在结束这本书的时候，我想勇敢地站出来陈述我尚未表述的观点，并对量子引力的问题最终将如何解决做一些预测。我坚信，我们在过去20年取得的巨大进步，最好的例证就是这样一个事实：现在我们可以对寻找量子引力的最终途径进行有根据的猜测。而就在不久之前，我们所能做的仅仅是提出一些没有明显错误的想法。现在，我们已经提出了几项看起来足够正确、足够有力的提议，并且基本是正确的。我在这本书中展示的图景是认真考虑后把所有这些想法组合起来的结果。本着同样的精神，我提出了以下关于当前物理学革命将如何结束的设想。
· 弦理论的某种版本在近似水平上仍然是正确的描述，在这个水平上，量子物体在经典时空背景下运动。但是基础理论和现有的弦理论完全不同。
· 全息原理的某种版本将被证明是正确的，并会成为新理论的基础原理之一。但它不会是第12章 中讨论的强全息原理。
· 圈量子引力理论的基本结构将为基础理论提供模板。量子态和量子过程将以如自旋网络这样的图的形式表示。除了作为近似外，不会再有连续的空间或时空的几何概念。包括面积和体积的几何量，将会被量子化，并得出最小值。
· 其他一些量子引力的方法将在最终的理论整合中起到重要作用，其中包括罗杰·彭罗斯的扭量理论和阿兰·孔涅的非交换几何。这些将会对时空量子几何的本质提供基本的见解。
· 目前量子理论的形式将被证明不是基本的，它将首先让位给第3章 中讨论的关系量子理论，并将用拓扑斯理论的语言表达。但过一段时间后，该关系量子理论又将被重新表述为一个关于事件之间信息流动的理论。最后的理论将是非局域的，或更准确地说，是局域外的，因为空间本身将只被看作对某种宇宙的一种适当的描述。同样，像热和温度这样的热力学量只有在包含许多原子的系统的平均描述中才有意义。在最终的理论中，“态”的概念不会再有位置，它将围绕过程的概念和它们之间传递的信息在内部进行修改。
· 因果关系将是基础理论的一个必要组成部分，而这个基础理论将用离散事件及其因果关系来描述量子宇宙。因果关系的概念将在空间不再是一个有意义的概念的水平上继续存在。
· 最终的理论也无法预测基本粒子质量的唯一值，但该理论会为基础物理中的这些基本粒子质量和其他物理量提供一组可能的值。对于我们观察到的参数值，将会有一个理性的、非人为并且可证伪的解释。
· 在2010年到2015年左右，我们将建立量子引力理论的基本框架。剩下的最后一步就是去研究如何用量子时空的语言重新表述牛顿的惯性原理。虽然要想解决所有的问题还需要很多年的时间，但基本框架将是如此引人注目和自然而然，一旦建立，它就将保持不变。
· 在这个理论问世的10年之内，将会有新的实验被设计出来，并用于对该理论进行测试。量子引力理论将对早期宇宙进行预测，并将通过对大爆炸辐射的观测进行测试，其中包括宇宙微波背景辐射和引力辐射。
· 到21世纪末，世界各地的高中生都将学习量子引力理论。
后记
1999年秋，我开始撰写这本书，2000年10月，我把最终修订版发给了出版商。从那以后，这个领域在通向量子引力的道路上取得了巨大的进展。
最令人兴奋的进展莫过于现在有可能观察到空间本身的原子结构。我曾在第10章 末尾简要地提到了这种可能性。而现在有更有力的证据表明，通过目前的实验可以观察到空间的原子结构。事实上，乔瓦尼·阿米力诺-卡米利亚和茨维·皮兰（Tsvi Piran）已经指出，空间的原子结构可能已经被成功观察到了。
这些新发现的潜在重要性不低于物理学史上的任何发现，因为如果这些新发现的含义与我们所预测的一样，它们将标志着物理学一个旧时代的终结和一个新时代的开始。
尽管宇宙浩瀚无垠，但它绝不是空的。即便是看起来什么都没有的地方，也充斥着辐射。据我们所知，辐射以几种不同的形式在星系之间的空间传播。其中一种被称为宇宙射线（cosmic rays），由高能粒子组成。这些粒子似乎主要是质子，同时混合了较重的粒子。这些宇宙射线在太空中的分布是均匀的，这表明它们来自银河系以外。科学家已经观察到，这些宇宙射线以超过1 000万倍于最大粒子加速器所能达到的能量在撞击着地球大气层。
人们通常认为，这些宇宙射线产生于某些星系中心的高能量事件，这些高能量事件扮演着自然粒子加速器的角色。这些射线来自巨大的磁场区域，很可能由一个超大质量的黑洞产生。这些东西曾经只存在于幻想中，但现在我们有越来越多的证据证明它们真实存在。虽然我们还不确定对于宇宙射线起源的理解是否正确，但这些高能量的射线最可能来自银河系以外的遥远地方。
那么我们来研究一下从遥远的星系向我们移动的最高能的宇宙射线质子。它们运动的能量大约是质子能量的1010倍，或者是最大的人造粒子加速器能量的1 000万倍。这些质子的运动速度非常接近光速。当质子运动时，它会遇到另一种填满了星系之间的空间的辐射——宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background）。
宇宙微波背景辐射是微波浴，我们认为这是宇宙大爆炸遗留下来的残余物。据观察，这种辐射从四面八方均匀地向我们袭来，带着十万分之几的微小偏差。它现在的温度只比绝对零度高2.7度，但它曾经至少和恒星的中心一样热，只是随着宇宙膨胀冷却到了现在的温度。考虑到我们可从宇宙的各个方向观测到它的均匀性，那么这种辐射一定会占据所有的空间。
因此，宇宙射线质子在穿越太空时会遇到来自宇宙微波背景辐射的光子。大多数情况下，这些相互作用不会导致任何后果，因为宇宙射线质子的能量和动量比它遇到的光子大得多。但如果质子有足够的能量，它有时会产生另一个基本粒子。当这种情况发生时，宇宙射线的运动速度就会减慢并损失能量，因为产生新粒子需要能量。
以这种方式产生的最轻的粒子叫作介子（pion）。利用物理学的基本定律，包括爱因斯坦的狭义相对论，人们可以对宇宙射线质子和来自宇宙微波背景辐射的光子相互作用形成介子的过程做出一个简单的预测。即存在某种能量阈值（threshold），如果质子所含能量超过这一阈值就很可能产生新的粒子。所含能量超过这一阈值的质子将继续以这种方式相互作用，每次都会损失能量，速度减慢，直到其能量下降到阈值以下。
这相当于征收100%的税。假定税收起征点为10亿美元，并且超过10亿美元的所有收入将被征收100%的税。那么没有人一年的收入会超过10亿美元，因为超过10亿美元的收入都要交税。上述情况就像是对能量征收100%的税，因为宇宙射线质子可能拥有的超过阈值的所有能量都将通过与宇宙微波背景辐射相互作用产生介子的过程被移除。
这说明宇宙射线质子不能以大于阈值的能量撞击地球。质子在旅程中有足够的时间将额外的能量移除以产生多个介子。
我想强调的是，这个预测来源于经过严格检验的狭义相对论定律，因此，结果是非常可靠的。从而，当格雷森（Greisen）、扎特林（Zatsepin）和库兹明（Kuzmin）这三位俄罗斯物理学家在20世纪60年代提出这个预测时，该预测在科学界就非常受欢迎。研究人员没有理由认为宇宙射线质子的能量会超过阈值。
格雷森、扎特林和库兹明的预测虽然令人信服，但结果被证明是错误的。在过去的几年中，人们看到了许多能量超过阈值的宇宙射线。这一惊人的消息激励了该领域的科学家。这些宇宙射线被称为超高能量宇宙射线，简称UHECR，是一种极端现象。
对于这种效应，有三种解释。第一种是天体物理学的解释。该解释指出，宇宙射线，或者至少是那些能量超过阈值的射线，是在我们的星系中产生的，并且距离我们足够近，以至于这种效应可能并没有移除它们所有的多余能量。第二种是物理学的解释。这种解释假设构成超高能宇宙射线的粒子不是质子，而是更重的粒子。它们不会因为与宇宙微波背景辐射相互作用而损失能量，相反，会随着时间的推移而衰变，从而产生我们观察到的质子。然而，它们的寿命被假定是非常长的，因此它们能够在衰变前旅行数百万年。
这两种解释似乎都有些牵强附会。因为既没有证据表明附近有宇宙射线源，也没有证据表明存在如此重的超稳定粒子。此外，这两种解释都需要对参数进行仔细调整，使其等于一个不寻常的值，这样才能与这些观察结果相吻合。
第三种解释与量子引力有关。我在第9章 和第10章中描述过的圈量子引力理论所预测的原子结构，有望调整控制基本粒子相互作用的定律。这种调整的效果是改变阈值的大小，结果可能是将阈值提高到足以解释到目前为止所做的所有观察。
这种解释导致了新的预测。首先，这一阈值可能更高，因为在新的实验中，我们将能够探测到更高能量的宇宙射线。其他两种解释都与此不同。其次，这种效应必须是普遍的，因为时空的量子几何结构必须影响所有运动的粒子。因此，在其他粒子中也必须看到同样的效应。
事实上，在一个案例中也可能观察到类似的效应。充满能量的半衰期（busts）光子到达地球，这些半衰期被称为γ射线半衰期（gamma ray busts）和火焰期（blazars），它们被认为起源于银河系以外的遥远地方，在到达地球之前就已经旅行了数十亿年。关于这些光子的起源有些争议，但它们的确可能是中子星或黑洞碰撞的结果。出于类似的原因，其中能量最强的光子会受到一个阈值的限制，因为它们可能与来自宇宙中所有恒星的漫射星光的背景相互作用。就像宇宙射线一样，光子的能量已经超过了这个阈值，并来自一个叫作马卡良501（Markarian 501）的天体。
因此，量子引力有可能成为一门实验科学。这是可能发生的最重要的事情。这意味着实验相关性将成为决定量子引力理论正确性的一个因素，而不是个人品位或同行压力。
此外，在过去的几个月里，量子引力理论展现了一种惊人的含义，即光速可能取决于光子携带的能量大小。这种效应似乎是光与空间原子结构相互作用的结果。它是微小的，因此并不与迄今为止所有观测得出的光速恒定的结论相矛盾。但是对于在宇宙中传播非常远的光子来说，其累积起来会产生显著的影响，以至于可以用目前的技术观测到。
这种效应很简单。如果较高频率的光比较低频率的光传播速度略快，那么如果我们观察到来自很远地方的非常短的光爆发，较高能量的光子应该比较低能量的光子略早到达。这可以在γ射线爆发中观察到。虽然这种效应还没有被发现，但是如果它确实存在的话，人们在未来的实验中应该可以观察到。
起初我完全被这个想法震惊了。这怎么可能是正确的呢？基于光速恒定假设的相对论，才是我们理解空间和时间的基础啊！
但正如一些更聪明的人向我解释的那样，这些新的发展并不一定与爱因斯坦的相对论相悖。爱因斯坦阐述的基本原理，如运动的相对论，可能仍然正确。仍然存在一种普遍的光速，即能量最小的光子的速度。这些发展意味着，爱因斯坦的观点必须深化，把时间和空间的量子结构考虑进去，一如当年爱因斯坦深化了笛卡尔和伽利略关于相对运动的理论一样。也许是时候对运动是什么再加深一层理解了。
究竟该如何修改相对论是当前的一个热门话题。有些人认为，必须修改狭义相对论以解释圈量子引力理论所预测的时空原子结构。因为根据圈量子引力理论，所有观察者都能看到小于普朗克长度的空间的离散结构。这似乎与相对论相悖，因为根据相对论，不同的观测者测量的长度是不同的，这就是著名的长度收缩效应（length constraction effect）。其中一个解决方案是，修改狭义相对论，使其有一个长度尺度，或一个能量尺度，使所有观察者的观察结果一致。这样，即使对于所有其他长度，不同的观察者测量到的值并不同，但对于普朗克长度，大家得到的结果应该是一致的。正如伽利略和爱因斯坦所提出的那样，运动的相对论仍然存在，只是会得出一个结果，即光速可能在较小程度上与能量有关。
我同时从几个人那里听说了相对论可能会发生这些新变化，比如乔瓦尼·阿米力诺-卡米利亚、朱立克·科瓦尔斯基-格利克曼（Jurek Kowalski-Glickman）和若昂·马京乔（Joao Magueijo）。起初，我告诉他们这是我听过的最疯狂的事情，但我当时在伦敦的同事若昂很有耐心，多次给我讲解，直到我终于理解了它。从那以后，我看到其他人也经历了同样的由不接受到理解的过程。实际上，观察托马斯·库恩（Thomas Kuhn）著名的行动范式转变还是很有趣的。
另一个热门话题是，光速随能量变化而变化是否会影响我们对宇宙历史的理解。假设光速随着能量的增加而增加，这不是唯一的可能性，但根据我们的观察，到目前为止这很有可能发生。当宇宙处于早期阶段时，平均光速会更高，因为那时宇宙非常热，而热光子有更多的能量。这个想法有可能解决一些宇宙学家非常关心的难题，例如，为什么早期宇宙中所有地方的温度几乎都是一样的？尽管事实上还没有时间让所有区域相互作用。如果那时的光速比我们目前认为的要快，那么宇宙的所有部分就可能都有时间接触，这个谜团就迎刃而解了！事实上，安德鲁·阿尔布雷克特（Andrew Albrecht）和若昂·马京乔等宇宙学家早已经推测过这种可能性了。
这些谜题激发了“膨胀理论”，该理论假设宇宙在其历史早期以指数级的速度膨胀。这个理论已经取得了一些成就，但它与相对更基本的量子引力理论之间的联系仍有一些悬而未决的问题。有趣的是，一个基于量子引力理论的新想法已经出现，有可能解决这个难题。这是件好事，因为这是一种新的观测，并且可以判断哪种解决方案是正确的。用实验来对比两种相互竞争的理论往往比用实验来证明一种理论的对错要容易得多。当然，实验也可能会证明这两种理论的某种结合是正确的。
但最重要的是，新的观测提供了支持或反对量子引力对光传播有影响的证据，为证明这本书中描述的理论的有效性提供了机会。例如，弦理论和圈量子引力理论可能会对这些实验结果做出不同的预测。圈量子引力理论似乎需要在狭义相对论中进行修改。而弦理论，至少在它最简单的版本中，需要假设不管在多小的尺度上狭义相对论都是正确的。
这的确是个好消息，因为一旦实验之光被点燃，诸如学术政治等的社会学力量就必须缩回去，因为自然的判断取代了权威的判断。
这并不是唯一一个宇宙学观测和基本理论相互冲突的地方。还有一个更令人兴奋，也可能会令人不安的情况，与宇宙常数（cosmologica constant）有关。该情况指的是一种可能性，即真空可能具有非零的能量密度，爱因斯坦首先发现了这种可能性。这种能量密度对宇宙膨胀的影响是可以观测到的。
这种可能性一旦被接受，就会导致理论物理学的重大危机。原因是，对于这个真空能量密度的值来说，最自然的可能性是它是巨大的，甚至比观测值大10100倍以上。确切的值，也就是宇宙常数的值，是目前的理论所无法预测的。事实上，我们可以调整一个参数来得到想要的宇宙常数的任何值。问题是，为了避免宇宙常数过大，参数必须调整到至少有120位小数的精度。怎样才能进行如此精确的调整，科学家至今仍无法解决。
这可能是基础物理学所面临的最严重的问题，而且最近情况变得更糟了。直到几年前，几乎所有人还都相信，即使经过非常精确的调整，最终宇宙常数也只会是0。虽然我们不知道为什么宇宙常数是0，但至少0是一个简单的答案。然而，最近的观测表明宇宙常数不是0，而是一个很小的正数。这个值在基础物理学的尺度上是很小的。在普朗克单位中，它大约是10-120普朗克单位（或0.0000……在遇到非零数字之前有120个零）。
但是，即使以基本单位来衡量，这个数值很小，也足以对宇宙的演化产生深远的影响。这个宇宙常数会使真空的能量密度大约等于现在所观测到的其他能量密度的两倍。这可能看起来十分令人惊讶，但关键是，目前观测到的所有物质的能量密度都非常小，这是因为宇宙非常古老。以基本单位来衡量，它目前的年龄大约是1060普朗克时间单位。而且，宇宙一直在膨胀，所以物质的密度是在减小的。
但是据我们所知，宇宙常数产生的能量密度不会随着宇宙的膨胀而减小。这就引发了一个非常令人不安的问题：为什么在我们所生活的这个时代，物质密度已经被稀释到与宇宙常数产生的密度具有相同数量级的程度？
我不知道这些问题的答案。我想其他人也不会知道，尽管可能有一些人会产生一些很有意思的想法。
宇宙常数不为零这一事实对量子引力理论有着重大影响。原因之一是它似乎与弦理论不相容。事实证明，弦理论需要自洽的数学结构，也就是所谓的超对称，以允许宇宙常数存在，但仅限于这个常数与被观察到的那个符号相反的情况下，即宇宙常数为负。弦理论中有一些关于负宇宙常数的有趣研究，但是到目前为止没有人知道，当宇宙常数为正的时候，如何写出自洽的弦理论，即使正宇宙常数已被观测到。
我不知道这个障碍是否会扼杀弦理论，但我知道弦理论学家们足智多谋，他们经常扩展弦理论的定义，使其包含许多曾经被认为不可能的情况。但弦理论学家们仍然很担心，因为如果真如天文学家们所认为的，弦理论不能与正宇宙常数相容，那么弦理论必死无疑。
正宇宙常数会困扰包括弦理论在内的量子引力理论，还有一个原因。随着宇宙的持续膨胀，物质产生的能量密度将继续减小。但是宇宙常数被认为是稳定的。这就意味着将来会有一段时间，宇宙常数将构成宇宙中大部分的能量密度。在此之后，膨胀会加速，实际上，其效果与早期宇宙的膨胀非常相似。
在一个膨胀的宇宙中做一个观察者，就是身处一个非常糟糕的环境中。随着宇宙膨胀，我们能看到的宇宙的部分会越来越少。因为光跟不上膨胀的加速度，来自遥远星系的光将无法再抵达我们。这就好像宇宙中的大片区域落在黑洞的视界后面。遥远的星系将一个接一个地越过视界，到达光再也无法抵达我们的区域。由于这个数值是经过测量的，因此，在一个星系中，仅仅需要几百亿年的时间，观察者就将看不到任何东西，除了他们自己的星系。
