量子宇宙學迷人的理論探索不只關于大爆炸以外存在何物。研究理論在宇宙學上的應用還有另一個原因：也許這能提供一個機會，來驗證理論是否真的正確。
科學的有效，是因為在假設和推理之后，在直覺和洞察之后，在方程和計算之后，我們可以檢驗做得好不好：理論會對我們尚未觀測到的東西做出預測，我們可以驗證這些預測正確與否。這就是科學的力量，其可靠性有牢固的基礎，讓我們可以充分信任——因為我們可以檢驗一個理論是對還是錯。這就是科學與其他思考方式的不同，其他思考方式要判定誰對誰錯往往是個很棘手的問題，有時甚至沒有意義。
當勒梅特為宇宙正在膨脹這一觀念辯護時，愛因斯坦并不相信這個觀點。他們兩個里肯定有一個人是錯的，另一個是對的。愛因斯坦所有的成果、他的名聲、在科學世界的影響、巨大的權威，都起不到什么作用。觀測數據證明他錯了，游戲就到此結束，一個默默無名的比利時神父是正確的。正因為此，科學思想才具有力量。
科學社會學闡明了科學認識過程的復雜性；和其他的人類努力一樣，這個過程也會被非理性困擾，與權利的游戲糾纏，會被任何一種社會與文化因素影響。然而盡管如此，這些都沒有削弱科學思想的實踐與理論效力，這與一些后現代主義者、文化相對主義者的夸大其詞正好相反。因為最終在大部分情況下，我們都可以清楚地確定誰對誰錯。即使是偉大的愛因斯坦也會說（他確實說了）：“啊，我犯了個錯誤！”如果我們看重可靠性，科學就是最好的策略。
這并不意味著科學僅僅是做出可觀測的預測的藝術。一些科學哲學家把科學限定為數值上的預測，這過度窄化了科學。他們沒有抓住要點，因為他們混淆了手段和目標?？蓹z驗的定量預測是驗證假說的手段，但科學研究的目標不只是做出預測，還要理解世界的運行方式，建構與發展世界的圖景，提供給我們用以思考的概念結構。在進入技術層面之前，科學是有遠見的。
可檢驗的預測是強有力的工具，可以讓我們在誤解某些事情時及時地發現問題。缺少實驗證據的理論是還沒通過檢驗的理論。檢驗永不會結束，一個理論不會因為一個、兩個或三個實驗就被徹底證實，但隨著它的預言被證明為真，理論的可信度會逐步增加。諸如廣義相對論和量子力學這樣的理論，最初讓很多人感到困惑，但隨著它們所有的預言——即使是最令人難以置信的——都逐步被實驗和觀測證實，它們也逐漸贏得了人們的信任。
另一方面，實驗證據的重要性并不意味著沒有實驗數據我們就不能進步。人們常說只有當我們有新的實驗數據時，科學才會進步。如果真是如此的話，在觀測到新東西之前我們幾乎沒有希望發現量子引力，但很明顯不是這樣。對哥白尼而言有哪些新數據可用呢？什么都沒有。他的數據和托勒密一樣。牛頓有什么新數據嗎？幾乎沒有。他真正的資料是開普勒定律和伽利略的成果。愛因斯坦有什么新數據去發現廣義相對論嗎？也沒有。他的資料是狹義相對論和牛頓理論。只有新數據出現物理學才會進步，這個說法很明顯是錯誤的。
哥白尼、牛頓、愛因斯坦和許多其他科學家所做的工作，是在先前存在的綜合了自然眾多領域經驗知識的理論的基礎上，發現一種方式對它們進行整合與重新思考，進而改進普遍的概念。
這就是量子引力的最好研究運作的基礎。在科學中，知識的來源最終是實驗。但構建量子引力所基于的數據并不來自新的實驗，而是來自已然構成我們世界圖景的理論大廈，雖然是以部分自洽的形式。量子引力的“實驗數據”是廣義相對論與量子力學。以這些為基礎，我們試圖理解量子和彎曲空間共存的世界怎樣自洽，并嘗試探索未知。
在我們之前處在相似情境下的巨人們，比如牛頓、愛因斯坦、狄拉克，他們取得的巨大成功，給了我們很大鼓勵。我們并不敢設想達到他們的高度，但我們的優勢在于坐在他們的肩膀上，這讓我們比他們看得更遠。無論如何，我們不得不努力。
我們必須區分線索和有力的證據。線索讓夏洛克·福爾摩斯能夠偵破神秘的案件，而法官需要有力的證據來審判罪犯。線索讓我們走在朝向正確理論的道路上，有力的證據隨后讓我們相信我們所建構的理論是好是壞。沒有線索，我們就在錯誤的方向上尋找；沒有證據，理論就不可信。
對量子引力來說也是如此。這個理論還處在嬰兒階段，其理論構件正在變得堅實，基礎理念正在被闡明：線索是好的，并且很具體——但仍然缺少被證實的預測，這個理論還沒有通過檢測。
來自自然的信號
在本書敘述的研究方向上，另一個被研究最多的理論是弦理論。對弦理論或其相關理論進行過研究的大部分物理學家，都期盼著日內瓦歐洲核子研究組織（CERN）的新型粒子加速器（LHC，或稱大型強子對撞機）一開始運轉，一種之前從未被觀測到但被理論預期的粒子——超對稱粒子就會立刻出現。弦理論需要這些粒子來使理論自洽，所以弦理論家熱切期盼著發現粒子。另一方面，即使沒有超對稱粒子，圈量子引力理論的定義也很完善。圈理論家傾向于認為這些粒子也許不存在。
超對稱粒子沒有被觀測到，這讓很多人感到失望。2013年那些慶祝希格斯玻色子的發現的人也掩飾了同樣的失望。超對稱粒子沒有出現在許多弦理論家預期出現的能量上，這并不能確切證明任何事——遠遠不能；但自然已經給出了有利于圈理論的小線索。
這些年在基礎物理學中有三個重要的實驗結果。第一個是日內瓦歐洲核子研究組織發現了希格斯玻色子（圖9.1）。第二個是由普朗克衛星（圖9.2）做出的觀測，測量數據在2013年公之于眾，證實了標準宇宙模型。第三個是在2016年的頭幾個月公布的首次探測到引力波。這些是自然最近給我們的三個信號。
圖9.1 在歐洲核子研究組織的一個事件，表示希格斯粒子的形成。
這三個結果有個共同點：完全沒有驚喜。這并沒有減弱它們的重要性，甚至正相反，這讓它們更有意義。希格斯玻色子的發現強有力地證明了基于量子力學的基本粒子標準模型的正確性，這是對三十年前做出的預言的驗證。對基于廣義相對論和宇宙常數的標準宇宙模型而言，普朗克衛星的觀測結果是個堅實的證據。對已經誕生了一百年的廣義相對論來說，探測到引力波是個驚人的證據。這三項經過技術上的艱苦努力和數百位科學家廣泛合作取得的成果，只是加強了我們已有的對宇宙結構的理解。沒有真正的驚喜。
圖9.2 普朗克衛星
但這種驚喜的缺失在某種意義上就是驚喜，因為很多人都期待著能大吃一驚，也就是發現未被已確立的理論描述過的“新物理學”。他們在歐洲核子研究組織期待的是超對稱粒子，而非希格斯玻色子。許多人期盼普朗克衛星能觀測到與標準宇宙模型的偏差，這些偏差會支持廣義相對論以外的其他宇宙理論。
但是沒有。自然給出的肯定很簡單：廣義相對論、量子力學，以及量子力學內部的標準模型，這些都是正確的。
現在許多理論物理學家通過做出很隨意的假設來尋找新理論：“讓我們想象……”我認為這種研究科學的方式不會產生好結果。除非在我們掌控范圍以內的蹤跡中尋找靈感，否則我們的幻想會太局限于“想象”世界是怎樣的。我們擁有的蹤跡——我們的線索——要么是成功的理論，要么是新的實驗數據，別無其他。我們應該在這些數據和這些理論中發現我們目前還不能想象的事。這就是哥白尼、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦前進的方式。他們從來不會“猜”一個新理論——不會像今天太多理論物理學家正在嘗試做的那樣。
目前我提到的三個實驗結果已經為自然發聲：“不要再幻想著新的場或奇怪的粒子；附加的維度，其他對稱性，平行宇宙，弦，或是別的什么。拼圖十分簡單，就是廣義相對論、量子力學和標準模型。下一步也許'只是’把它們以正確的方式進行整合的問題。”這對量子引力共同體來說是個讓人欣慰的建議，因為這正是理論的假設：廣義相對論、量子力學和與之相容的標準模型，再無其他。那些根本性的概念上的推論：空間的量子化、時間的消失——并不是大膽的假說，它們是在認真對待我們最優秀理論的基本洞見后得出的合理推論。
這些也可能還不是確切的證據。超對稱粒子最終也許會出現，也許出現在我們尚未達到的尺度，并且即便圈量子引力是正確的，它也可能出現。超對稱粒子沒有出現在預期的地方，弦理論家有點沮喪，圈理論家感到很振奮，但這仍然只不過是線索的問題，還根本沒有強有力的證據。
要找到更多堅實的證據，我們需要把目光投向別處。原始宇宙為我們打開了一扇窗，讓我們進行一些能夠證實理論正確性的預測。我希望那是在不太遙遠的未來?；蛟S他們可以證明理論是錯的。
通往量子引力的一扇窗
如果我們有描述宇宙在量子階段演變的方程，我們就可以計算量子現象對今天觀測到的宇宙的影響。宇宙里充滿了宇宙輻射：自早期炙熱階段余留下來的大量光子，以及早期高溫的余暉。
星系間巨大空間中的電磁場像暴風雨過后的海面一樣振動。這種遍布宇宙的振動被稱為宇宙背景輻射，在過去的幾年里已經由諸如宇宙背景探測器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），以及最近的普朗克衛星進行了研究。這種輻射的微小波動圖像如圖9.3所示。這種輻射結構的細節可以告訴我們宇宙的歷史，宇宙量子起源的線索可能就藏身其中。
量子引力研究最活躍的板塊之一正致力于研究原始宇宙的量子動力學是如何反映在這些數據中的。雖然只是獲得初步發展，但仍然令人鼓舞。隨著更多計算和更精確的測量，應該可以實現對理論的檢驗。
2013年，阿貝·阿什臺卡（Abhay Ashtekar）、伊凡·阿古略（Ivan Agullo）和威廉·尼爾森（William Nelson）發表了一篇文章，在特定的假設下他們計算出，源自這些宇宙輻射的漲落的統計分布應該揭示了初始反彈的影響：大范圍的漲落應該與沒有考慮量子的理論做出的預測有所不同。目前的測量狀態描繪在圖9.4中，其中黑線表示阿什臺卡、阿古略和尼爾森的預測，灰色的點表示測量數據。目前這些數據還不足以判斷三位作者預測的黑線向上彎曲的部分是否正確，但測量正變得越來越精確，情況仍在變化。但那些像我一樣畢生都在尋求理解量子空間奧秘的人，一直在滿懷希望又焦慮地密切留意著我們觀察、測量、計算能力的不斷進步——期盼著自然告訴我們正確與否的那個瞬間。
圖9.3 宇宙背景輻射的漲落。這是現有的宇宙中最久遠物體的圖像。這些漲落產生于一百四十億年前。通過統計這些漲落，我們希望能找到證據，來證實量子引力的預測。
圖9.4 圈量子引力對背景輻射譜的預測（由實線表示），與目前的實驗誤差（由點表示）進行對比。由A.阿什臺卡、I.阿古略、W.尼爾森提供。
大量原始熱量的痕跡肯定也留存在引力場內。引力場，也就是空間本身，肯定像海面一樣振動。因此，宇宙引力背景輻射肯定也存在——甚至比宇宙微波背景輻射還要古老，因為與電磁場相比，引力波受到物質的影響要小，甚至當宇宙太致密而無法讓電磁波穿過時，引力波也可以不受影響地通過。
現在我們用激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測器已經直接觀測到了引力波，探測器由兩個幾千米長的儀器臂組成，彼此之間呈合適的角度，激光束可以在三個固定點之間測量距離。當引力波經過時，空間會難以察覺地伸縮，激光會顯示出這一極小的變化。[49]引力波由黑洞碰撞這一天體物理事件產生，這些現象由廣義相對論來描述，不涉及量子引力。但一個名為LISA的更有雄心的實驗正處于評估階段，可以在大得多的尺度上完成同樣的工作：在軌道中放三顆衛星，不環繞地球而是環繞太陽，它們就像是在軌道上追蹤地球的小行星。三顆衛星由激光束連接，測量它們之間的距離，或者更好的是當引力波經過時測量距離的變化。如果LISA能夠啟動，它應該不僅可以看到由星體和黑洞產生的引力波，還能觀測到接近大爆炸時產生的原始引力波的背景輻射。這些波應該可告訴我們量子反彈的信息。
在空間細微的不規則表現中，我們應該能夠發現一百四十億年以前宇宙起源之時發生的事件的痕跡，并且確認我們關于空間和時間本性的推論。
