她谈论物理学就像谈论烹饪。“我的长处是无中生有地把东西拼凑在一起，”她说，“把这个配料和那里的另一个配料放在一起，然后粘合在一起。”艺术在于弄清楚使用哪些配料以及如何将它们组合起来，以便当烤箱铃声响起时，宇宙恰到好处。
31岁的福蒂尼·马尔科波卢·卡拉马拉被誉为世界上最有前途的青年物理学家之一。她最近接受了在加拿大安大略省滑铁卢的珀里米特理论物理研究所的职位（该研究所是加拿大对美国新泽西州普林斯顿高等研究院的回应）。在那里，她与罗伯特·迈尔斯和李·斯莫林等著名物理学家一起工作，希望将爱因斯坦的广义相对论与量子理论结合起来，以解释空间和时间的本质。
这种统一可能是现代物理学中最大的挑战。弦理论一直是主要的竞争者。它提出物质的构成基石是微小的、一维的弦，并且弦的各种振动像音符一样演奏出熟悉的粒子旋律。
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尽管弦理论找到了一种将引力纳入物质量子描述的方法，但一些物理学家认为它存在缺陷，使其无法成为最终的万物理论。首先，该理论预设了多达 26 个空间维度，远远多于实验中发现的维度。更根本的是，虽然弦对于描述物质来说很好，但它们并不能解释它们摆动的空间。新版本的弦理论可能会解决这个问题。但包括斯莫林、宾夕法尼亚州立大学的阿拜·阿什特卡和法国马赛理论物理中心的卡洛·罗韦利在内的一小部分物理学家更看好另一种方法：圈量子引力，简称 LQG。
在 LQG 中，现实是由相互作用和组合形成所谓的自旋网络的循环组成的——英国数学家罗杰·彭罗斯在 20 世纪 60 年代首次将其设想为抽象图。斯莫林和罗韦利使用标准技术来量化广义相对论的方程，并在这样做时发现了隐藏在数学中的彭罗斯网络。这些图的节点和边携带离散的面积和体积单位，从而产生三维量子空间。但是由于理论家从相对论开始，他们仍然留下了一些量子网络之外的空间。
那是 20 世纪 90 年代后期 LQG 的状态，当时马尔科波卢·卡拉马拉开始着手解决这个问题。巧合的是，她走上了这个主题。“我 16 或 17 岁时才决定学习物理学，”这位来自希腊雅典的理论家说。“在那之前，我什么都想做：考古学家、宇航员、画家。”当她在伦敦大学读本科时，一位学习理论物理学的朋友推荐了伦敦帝国理工学院的量子引力理论家克里斯·伊舍姆的讲座。“它在我回家的路上，所以我每周去一次，我很喜欢它。”她说服伊舍姆担任她的导师，并最终获得了量子引力博士学位。然后，她作为博士后研究员加入了斯莫林在宾夕法尼亚州立大学的研究团队。
马尔科波卢·卡拉马拉通过提出以下问题来解决 LQG 的外在空间问题：为什么不从彭罗斯的自旋网络（它们没有嵌入任何预先存在的空间）开始，混合一些 LQG 的结果，看看会发生什么？结果是网络不是生活在空间中，也不是由物质组成的。相反，它们的架构本身会产生空间和物质。在这种图中，没有事物，只有几何关系。空间不再是粒子碰撞和抖动的地方，而是变成了不断变化的模式和过程的万花筒。
每个自旋网络都像一个快照，是宇宙中凝固的瞬间。在纸上，自旋网络根据简单的数学规则演变和变化，变得更大更复杂，最终发展成我们居住的大尺度空间。�
通过追踪这种演变，马尔科波卢·卡拉马拉可以解释时空的结构。特别是，她认为抽象的循环可以产生爱因斯坦理论中最独特的特征之一——光锥，时空区域，光或任何其他东西都可以在其中到达特定的事件。光锥确保因果关系是先因后果。我们可以通过仰望天空来理解这个概念，并且知道有无数的星星是我们看不到的，因为自宇宙诞生以来，它们的光芒照到我们的路上还没有足够的时间；它们超出了我们的光锥。
然而，光锥在自旋网络中的位置并不那么明显。这些网络受量子力学支配。在那片充满不确定性的奇境中，任何网络都有可能演化成无限的新网络，不留下因果历史的痕迹。“我们不知道，在我们使用的语言中，如何在 LQG 中引入因果关系的概念，”斯莫林说。马尔科波卢·卡拉马拉发现，通过将光锥附加到网络的节点上，它们的演化变得有限，并且因果结构得以保留。
但是，自旋网络代表了整个宇宙，这带来了一个大问题。根据量子力学的标准解释，事物在被观察者感知之前仍然处于概率的边缘。但是，没有孤独的观察者可以发现自己超出了宇宙的范围而回头看。那么，宇宙如何存在？“这是一个非常棘手的事情，”马尔科波卢·卡拉马拉说。“谁在看着宇宙？”对她来说，答案是：我们。宇宙包含着它内部的观察者，表现为网络中的节点。她的想法是，要描绘大局，你不需要一位画家；很多人都可以。具体来说，她意识到，她用来将因果结构引入量子时空的相同光锥可以具体定义每个观察者的视角。
由于光速是有限的，您只能看到宇宙有限的一部分。您在时空中的位置是独一无二的，因此您的切片与其他人的略有不同。尽管没有外部观察者可以访问那里的所有信息，但我们仍然可以根据我们每个人收到的部分信息来构建一个有意义的宇宙画像。这是一个美好的想法：我们每个人都有自己的宇宙。但是有很多重叠。“我们大多数人看到的是相同的东西，”马尔科波卢·卡拉马拉解释说，这就是为什么尽管时空是量子化的，但我们看到的宇宙仍然是平滑的。“我实际上认为理论物理学很像艺术，”两位雕塑家的女儿马尔科波卢·卡拉马拉总结道。“把这些东西放在一起就像用黏土无中生有地创造东西，而且它应该从各个方面都有效。我喜欢创作部分，但我也喜欢你可以检查。”
检查的时间正在迅速临近。有一些细节需要解决，例如如何从量子因果关系中推导出通常的一维时间，但她认为，如果观测可以证实自旋网络的基础知识，她将消除障碍。一个实验可能是追踪来自数十亿光年外的伽马射线光子。如果时空实际上是离散的，那么单个光子应该以略微不同的速度传播，具体取决于它们的波长。马尔科波卢·卡拉马拉正试图破译这种色散的形式。
如果这是真的，她的预测可能会永远改变我们对空间结构的思考方式。量子引力的几项测试可能会在未来几年内进行。“我总是告诉自己，如果它没有变成真正的物理学，如果没有与实验接触，我就会在纽约找到一份薪水很高的工作。就我所知，它可能会很容易奏效。总是存在这种可能性，”马尔科波卢·卡拉马拉说。与此同时，她正在努力工作，等待着烤箱铃声响起。
阿曼达·盖夫特居住在纽约市。�