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一起认识什么是量子引力

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引力是人类认识到的第一个基本力，但它仍然是人们最不了解的。物理学家可以精确地预测引力对保龄球、恒星和行星的影响，但没有人知道引力如何与微小粒子或量子相互作用。近一个世纪以来，人们对量子引力理论的 探索 ——对力量如何对宇宙最小的碎片起作用的描述——是由一个简单的期望所推动的，即一本引力规则手册应该控制所有星系、夸克以及它们之间的一切。

“如果没有量子引力理论，那么宇宙只是混沌和随机的，”麻省理工学院的理论物理学家内塔·恩格哈特说，“我甚至不能说它是混乱的或随机的，因为它们实际上是合法的物理过程。”

理论物理学中最棘手的问题的核心在于该领域两大成就之间的冲突。爱因斯坦的广义相对论用一种物质或能量的描述来代替牛顿关于物体之间简单引力的概念，即物体周围的空间和时间弯曲，而附近的物体沿着这些弯曲的路径运动，就好像它们被彼此吸引一样。在爱因斯坦的方程式中，引力是空间本身的形状。他的理论保持了对光滑经典宇宙的传统描述——在这个宇宙中，你可以不断放大到更小的空间。

广义相对论继续为天体物理学家所投入的每一次测试提供支持，包括爱因斯坦从未想象过的情形。但大多数专家预计，爱因斯坦的理论总有一天会不足，因为宇宙最终看起来是崎岖不平的，而不是平滑的。行星和恒星实际上是原子的集合，而原子又由电子和成束的夸克组成。这些粒子通过交换其他类型的粒子而聚在一起或分开，从而产生吸引力和排斥力。

例如，电力和磁力来自于交换粒子，该粒子被称为虚拟光子。再如，将磁铁粘在冰箱上的力可以描述为一个光滑的经典磁场，但磁场的细节取决于产生它的量子粒子。在宇宙的四种基本力（引力、电磁力和强弱核力）中，只有引力缺少“量子”的描述。因此，没有人确切地知道（尽管有很多想法）引力场是从哪里来的，或者单个粒子是如何在它们内部作用的。

问题在于，尽管引力使我们始终停留在地面上，广义相对论表明它更多的是东西——空间本身的形状。其他量子理论将空间视为测量粒子飞向有多远和快的平面背景。忽略粒子空间的曲率是有效的，因为重力比其他力弱得多，以至于当放大到像电子一样小的东西时，空间看起来是平坦的。重力和空间曲率的影响在更放大的水平上相对明显，比如行星和恒星。但是，当物理学家试图计算电子周围的空间曲率时，数学变得不可能了。

在20世纪40年代后期，物理学家发展了一种称为重正化的技术来处理量子力学的变幻莫测，它允许电子以无限多种方式刺激无聊的旅行。例如，它可以发射光子，这个光子可以分裂成一个电子和它的反物质孪晶，正电子。然后这些光子对可以发射出更多的光子，依此类推，这些光子可以分裂成更多的双胞胎。虽然完美的计算需要计算无限多种电子轨迹行程，但重正化让物理学家把不守规则的可能性聚集成几个可测量的数字，如电子电荷和质量。他们不能预测这些值，但是他们可以插入实验结果，并用它们来做其他的预测，比如电子的去向。

当引力粒子理论（称为引力子）进入场景时，重正化被封杀。引力子也有自己的能量，引力子也有自己的能量，它会产生更多的空间扭曲和更多的引力子，这会产生更多的扭曲，更多的引力子等等，通常导致一个巨大的数学混乱，即使物理学家试图将一些无穷大物质聚集在一起进行实验测量，它们最终也会淹没在无数堆中。

“这实际上意味着你需要无数次的实验来确定任何东西，”恩格尔哈特说，“这不是一个现实的理论。”

在实践中，这种未能处理粒子周围的曲率变得致命，在这种情况下，大量的质量和能量会使空间如此紧密地扭曲，甚至电子及其类似物也会引起注意 - 例如黑洞的情况。 但是，即使物理学家不这样做，任何非常接近 - 或者说已处在时空之间的粒子当然都知道应对规则。新泽西州普林斯顿高级研究所所长罗布比·迪克格拉夫（RobbitDijkgraaf）在该研究所的一份出版物中写道： “大自然已经找到了制造黑洞的方法。” “现在由我们来了解大自然知道什么，这些是我们还没有掌握的。”。”

利用近似广义相对论，物理学家们已经发展出一个关于引力子可能是什么样子的概念，但没有人希望很快就能看到它。有人认为，实验表明，用一个和木星一样重的粒子对撞机进行100年的实验，才能探测到一个。因此，与此同时，理论家们正在重新思考宇宙最基本元素的本质。

一种被称为环量子引力的理论，旨在通过将空间和时间分割成小块来解决粒子和时空之间的冲突——这是一种最终的分辨率，超过了这个分辨率，就不会发生任何缩放。

另一个流行的框架——弦理论采用了不同的方法，将粒子交换成类似纤维的弦，这种弦在数学上的表现比它们的点式弦更好。这个简单的变化会产生复杂的结果，但一个很好的特点是引力不会超出数学范畴。即使爱因斯坦和他的同龄人从未发展过广义相对论，恩格哈特说，物理学家们以后也会通过弦理论偶然发现它。”我觉得这很神奇，”她说。

据恩格尔哈特说，弦理论家已经发现了进一步的线索，表明他们近几十年来处于富有成效的轨道上。简单地说，空间本身的概念可能会分散物理学家对宇宙更基本结构的注意力。

20世纪90年代末，理论家们发现，对一个简单的盒状宇宙（包括引力）的描述，在数学上等同于一个只有量子物理（而没有引力）的扁平宇宙的图像。在描述之间来回跳跃的能力表明，空间可能不是宇宙的基本成分，而是粒子相互作用产生的副作用。

对于我们这些嵌在空间结构中的凡人来说，想象起来可能很困难，但空间与粒子之间的关系可能类似于室温与空气分子之间的关系。物理学家曾经认为，热是一种从温暖的房间流到凉爽的房间的液体，但分子的发现揭示了我们感觉到的温度是从空气分子的平均速度“出现”。空间（相当于引力）可能同样代表了我们对某些小规模现象的大规模经验。恩格尔哈特说："在弦理论中，现在有非常好的迹象表明空间实际上是新兴的。

但是弦理论的宇宙在一个盒子里的形状与我们看到的形状不同（尽管恩格哈特说这种差异可能不是一个破坏因素，因为量子引力可以对所有可能的宇宙形状以同样的方式作用）。即使来自盒子宇宙的经验确实适用于现实，数学框架仍然粗糙。物理学家从切断它们与空间的理论联系，到在量子引力的所有起伏的荣耀中实现对它的精确描述，还有很长的路要走。

当他们继续在各自的理论中解决实质性的数学问题时，一些物理学家希望他们的天体物理观测有一天能将他们推向正确的方向。迄今为止还没有任何实验与广义相对论的预测相背离，但在未来，对许多波长敏感的各种引力波探测器可能会捕捉到重力子的细微声音。然而，恩格哈特说：“我的直觉是看宇宙，而不是看粒子对撞机。”