圈量子引力论的威力体现在，它 有能力考虑时空的流动性。爱因斯坦 的伟大之处在于，他认识到时空并非 仅仅是一个供宇宙演化这出“大戏”上演的舞台，它本身也在这出“大戏”中扮演着主要角色。时空不仅决定着 宇宙中各类天体的运行方式，还主宰 着宇宙的演化历程。物质与时空之间 的复杂互动也一直在上演。空间本身 可以增大和缩小。圈量子引力论将这一观念延伸到 了量子领域。它借鉴了我们对于物质 粒子的理解，并套用到时空原子上，把最基本的概念统一起来。举例来说，量子电动力学中的真空意味着不包含 光子之类的粒子，在这种真空中每增 加一份能量，就会产生一个新的粒子。而在量子引力论中，真空意味着不包 含时空——一种让我们简直无法想象 的、彻底的虚空。根据圈量子引力论 的描述，在这种真空中每增加一份能 量，便会产生一个新的时空原子。时空原子构成了一个致密且不断 变动的网格。大尺度上，它们的动态变 化让演化中的宇宙遵从经典广义相对 论。在正常情况下，我们永远不会注意 到这些时空原子的存在：这些网格排布 得异常紧密。以至于时空看起来连成一 片、没有间断。不过，当时空中充满能 量时一如大爆炸发生瞬间，时空的精 细结构就会发挥作用，圈量子引力论的 预言就会偏离广义相对论的预言。运用圈量子引力论推导计算是一 项极其复杂的任务，因此我和同事们 使用了简化模型，只考虑宇宙中最基 本的特征（比如大小）。而忽略我们不 太感兴趣的其他细节，还不得不借用 物理学和宇宙学中的许多标准数学工 具。比如，理论物理学家常常用微分 方程来描述这个世界，这些方程详细 确定了物理量（比如密度）在时空连 续体的每一点上的变化率。但当时空 不再连续，而是由无数“微粒”聚集 而成时，我们就要转而使用所谓的差 分方程，它们能将连续体拆分成离散 区间加以处理。这样的一个宇宙在成 长过程中，大小不再会连续变化，而 是沿着一个“尺寸阶梯”拾阶而上，这些差分方程描述的就是宇宙大小的 这种“阶梯式”变化过程。1999年，我开始分析圈量子引力论在宇宙学上 的应用，当时大多数研究人员预言，这些差分方程得出的结果只不过是经 典理论微分方程计算结果的简单重复。不过，意想不到的结果很快就出现了。引力通常表现为一种吸引力。一 团物质倾向于在自身重力作用下坍 缩。如果它的质量足够大，引力就会 压倒其他所有力量，将这团物质压缩 成一个奇点，比如黑洞中心的奇点。但圈量子引力论提出，时空原子结构 会在能量密度极高的情况下改变引力 的本性，使它表现为斥力。将空间想象成一块海绵，把质量 和能量想象成水。疏松多孔的海绵可 以蓄水，但容量有效。一旦吸满了水，海绵就无法再吸收更多的水，反倒会向 外排水。与此类似，原子化的量子空间 疏松多孔，能够容纳的能量也是有限 的。如果能量密度过大，排斥力就会 发挥作用。广义相对论中的连续空间 则完全相反，可以容纳无穷多的能量。量子引力改变了受力平衡，奇点 便不可能形成，密度无穷大的状态不 可能达到。按照这一模型，早期宇宙 中物质密度极高但并非无穷，相当于 每个质子的体积内挤压了一万亿颗太 阳。在如此极端的环境中，引力表现 为排斥力，导致空间膨胀；随着密度的 降低，引力重新变成我们所熟悉的吸 引力。惯性使宇宙膨胀一直维持至今。事实上，表现为排斥力的引力 会导致空间加速膨胀。宇宙学观测似 乎要求宇宙极早期存在这样一段加速 膨胀时期，称为宇宙暴涨（cosmic inflation）。随着宇宙的膨胀，驱动 暴涨的力量逐渐消失。加速一旦终止，过剩的能量便转化为普通物质，开始 填满整个宇宙——这一过程被称为宇 宙“再加热”（reheating）。在目前 的主流宇宙学模型中，暴涨是为了迎 合观测而特别增加进来的；而在圈量 子引力宇宙学中，暴涨是时空原子本 性的自然结果。在宇宙很小、时空的 疏松多孔性仍然相当显著的时候，加 速膨胀便会自然而然地发生。宇宙学家曾经认为，宇宙的历史 最多追溯到大爆炸，大爆炸奇点界定了 时间的开端。然而，在圈量子引力宇宙 学中，奇点并不存在，时间也就没有了 开端，宇宙的历史或许可以进一步向前 追溯。其他物理学家也得出了类似的结 论，不过只有极少数模型能够完全消除 奇点；大多数模型，包括那些根据弦 论建立起来的模型，都必须对奇点处 可能发生了什么做出人为假设。相反，圈量子引力论能够探查“奇点”处发 生的物理过程。建立在圈量子引力论 基础上的模型，尽管确实经过了简化，但仍然是从一般性原理中发展起来的，能够避免引用新的人为假设。使用这些差分方程，我们可以尝 试重建大爆炸前的宇宙历史。一种可能 的情景是，大爆炸之初的高密度状态，是大爆炸前的宇宙在引力作用下坍缩 形成的。当密度增长到足够高，使引 力表现为排斥力时，宇宙便开始再度 膨胀。宇宙学家将这一过程称为反弹。P8-9
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