通往量子引力的一扇窗

如果我们有描述宇宙在量子阶段演变的方程，我们就可以计算量子现象对今天观测到的宇宙的影响。宇宙里充满了宇宙辐射：自早期炙热阶段余留下来的大量光子，以及早期高温的余晖。

星系间巨大空间中的电磁场像暴风雨过后的海面一样振动。这种遍布宇宙的振动被称为宇宙背景辐射，在过去的几年里已经由诸如宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），以及最近的普朗克卫星进行了研究。这种辐射的微小波动图像如图9.3所示。这种辐射结构的细节可以告诉我们宇宙的历史，宇宙量子起源的线索可能就藏身其中。

量子引力研究最活跃的板块之一正致力于研究原始宇宙的量子动力学是如何反映在这些数据中的。虽然只是获得初步发展，但仍然令人鼓舞。随着更多计算和更精确的测量，应该可以实现对理论的检验。

2013年，阿贝·阿什台卡（Abhay Ashtekar）、伊凡·阿古略（Ivan Agullo）和威廉·尼尔森（William Nelson）发表了一篇文章，在特定的假设下他们计算出，源自这些宇宙辐射的涨落的统计分布应该揭示了初始反弹的影响：大范围的涨落应该与没有考虑量子的理论做出的预测有所不同。目前的测量状态描绘在图9.4中，其中黑线表示阿什台卡、阿古略和尼尔森的预测，灰色的点表示测量数据。目前这些数据还不足以判断三位作者预测的黑线向上弯曲的部分是否正确，但测量正变得越来越精确，情况仍在变化。但那些像我一样毕生都在寻求理解量子空间奥秘的人，一直在满怀希望又焦虑地密切留意着我们观察、测量、计算能力的不断进步——期盼着自然告诉我们正确与否的那个瞬间。

图9.3　宇宙背景辐射的涨落。这是现有的宇宙中最久远物体的图像。这些涨落产生于一百四十亿年前。通过统计这些涨落，我们希望能找到证据，来证实量子引力的预测。

图9.4　圈量子引力对背景辐射谱的预测（由实线表示），与目前的实验误差（由点表示）进行对比。由A.阿什台卡、I.阿古略、W.尼尔森提供。

大量原始热量的痕迹肯定也留存在引力场内。引力场，也就是空间本身，肯定像海面一样振动。因此，宇宙引力背景辐射肯定也存在——甚至比宇宙微波背景辐射还要古老，因为与电磁场相比，引力波受到物质的影响要小，甚至当宇宙太致密而无法让电磁波穿过时，引力波也可以不受影响地通过。

现在我们用激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器已经直接观测到了引力波，探测器由两个几千米长的仪器臂组成，彼此之间呈合适的角度，激光束可以在三个固定点之间测量距离。当引力波经过时，空间会难以察觉地伸缩，激光会显示出这一极小的变化。[49]引力波由黑洞碰撞这一天体物理事件产生，这些现象由广义相对论来描述，不涉及量子引力。但一个名为LISA的更有雄心的实验正处于评估阶段，可以在大得多的尺度上完成同样的工作：在轨道中放三颗卫星，不环绕地球而是环绕太阳，它们就像是在轨道上追踪地球的小行星。三颗卫星由激光束连接，测量它们之间的距离，或者更好的是当引力波经过时测量距离的变化。如果LISA能够启动，它应该不仅可以看到由星体和黑洞产生的引力波，还能观测到接近大爆炸时产生的原始引力波的背景辐射。这些波应该可告诉我们量子反弹的信息。

在空间细微的不规则表现中，我们应该能够发现一百四十亿年以前宇宙起源之时发生的事件的痕迹，并且确认我们关于空间和时间本性的推论。