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量子 + 引力 = ？

晰数塔互联网快讯
2020-12-04 17:16

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：萌大统领，设计：雯雯子，题图来自：《星际穿越》

在过去的几个世纪中，物理学家一直在追求统一。他们希望能将表面上看起来截然不同的现象统一在一起，也因此在理解和预言这个物理世界上获得了巨大的成功。

19世纪60年代，麦克斯韦发现电力和磁力实际上只是电磁力的两面。到了1967年，温伯格进一步为我们展示了电磁力和弱力其实只是电弱力的不同表现。自那之后，物理学家不仅在努力地寻找统一电弱力和强力的大统一理论的实验证据，更将寻找一个可以描述所有基本力的理论视为终极目标。

一

自然界中已知的四种基本力分别是电磁力、弱力、强力和引力。电磁力作用于带电粒子之间；弱力支配着粒子的衰变；强力可以克服质子之间的排斥力，使原子核牢牢地束缚在一起；引力支配着天体的运行，以及宇宙的演化。

图片来源：原理

二

量子场论解释了电磁力、弱力和强力，它是现代物理学的一大支柱。根据量子场论，宇宙中弥漫着各种粒子场，比如电子场、胶子场、希格斯场等。激发特定的场就会产生相应的粒子，比如激发电磁场就会产生光子。在量子世界中，基本力是由被称为规范玻色子的载力粒子传递的，比如我们熟悉的电磁力实际上是由光子传递的。

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三

爱因斯坦的广义相对论是现代物理学的另一大支柱，它告诉我们引力是时空弯曲的结果。它不仅成功地解释了牛顿引力理论无法解释的难题，还做出了许多令人惊叹的预言，比如遥远星光在经过太阳时会发生偏折，又比如宇宙中存在着匪夷所思的奇异天体——黑洞。在过去的100多年中，广义相对论的预言一一得到验证，最近的成果包括了2015年首次探测到的引力波，以及2019年拍摄到的黑洞。

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四

在生活中，我们每天都在感受着引力的作用，尽管如此，我们对引力的了解却是最少的。与其他三种基本力相比，引力太弱了。举例来说，一块小磁铁可以抵抗整个地球的引力，轻而易举地吸起一枚小小的曲别针。可见与磁力相比，引力有多么的弱。物理学家并不知道这是为什么，一种可能的解释是引力会进入宇宙中的额外维度（除已知的三维之外），从而强度被稀释。

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五

爱因斯坦的广义相对论发表于1915年，量子场论则完成于1970年代。量子场论（比如量子电动力学）主宰着微观世界的粒子行为，广义相对论则支配着宏观的宇宙，它们各司其职，良好地描述着这个宇宙的运作方式。但当我们谈及在一个极小体积内拥有极大质量时（比如黑洞和大爆炸），就会发现只有将这两个互不兼容的理论合二为一，才能够进一步揭示宇宙最深处的秘密。试图统一广义相对论和量子场论的理论被称为量子引力理论。

图片来源：原理

六

在所有量子引力理论的候选中，弦论无疑是最具知名度的。它假设一切都是由微小的弦构成的，弦可以是开放的，也可以是闭合的，它们可以振动、拉伸、连接和分裂。弦的不同振动方式会产生不同的粒子，比如电子、夸克等。另一个越来越受到关注的理论被称为圈量子引力，它更关心的是时空本身的量子特性，而非存在于时空中的物质。在圈量子引力中，广义相对论的光滑背景被赋予量子属性的节点和连接所取代。

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七

在过去的几十年间，理论物理学家从不同的途径切入，提出了各种可能性。除了弦论和圈量子引力之外，还有许多具有潜力的理论存在，比如因果动态三角剖分、因果集理论、渐进安全引力等。然而，到目前为止，并没有哪个理论是真正成功的，除了理论自身还未完善之外，它们还面临着无法被实验验证的困境。

寻找量子引力的其中一个途径。| 图片来源：原理

八

正如光子负责传递电磁力一样，物理学家也提出了一种假想粒子来负责传递引力，那边引力子。引力子是量子引力理论的基石。虽然许多物理学家相信它们存在，但正如前文所提到的，引力非常微弱，因此要直接测量引力子是不现实的。一个思想实验表明，如果要探测到引力子，那么我们至少需要一台木星大小的粒子对撞机。

图片来源：原理

九

正如光线可以被描绘成光子的集合，引力波也可以被认为是由引力子组成的。但在2015年之前，没有人在这方面付诸太多的思考，因为在2013年，著名物理学家戴森进行的一项计算，让很多人相信利用引力波探测器来研究量子引力是不切实际。然而，当LIGO探测到双黑洞并合产生的引力波后，带来了许多新的可能性。例如，诺奖得主韦尔切克和另外两位合作者在一项新的研究中表示，引力子或许可以在像LIGO这样的引力波探测器中制造出可观测的“噪声”。