在四種自然力中，物理學(xué)家們已經(jīng)找到了其中三種對(duì)應(yīng)的微觀粒子，即電磁力、強(qiáng)力和弱力。但第四種基本力——引力，則顯得與眾不同。
人類現(xiàn)有的理解引力的框架，是一百年前由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）設(shè)計(jì)的。他告訴我們，蘋果熟了會(huì)從樹上掉落，行星會(huì)繞著恒星轉(zhuǎn)，是因?yàn)槲矬w在時(shí)空連續(xù)體中沿著曲線移動(dòng)，這樣的曲線就是引力。根據(jù)愛因斯坦的理論，引力是時(shí)空介質(zhì)的一種屬性，其他自然力基于此發(fā)生。
但在黑洞中心或者宇宙大爆炸早期這些問題上，愛因斯坦的理論崩潰了。物理學(xué)家需要更準(zhǔn)確的引力理論來理解這些極端時(shí)刻。這理論也必須和愛因斯坦理論在其他方面的預(yù)測達(dá)到同樣的效果。
物理學(xué)家認(rèn)為，在這個(gè)更準(zhǔn)確的理論體系里，引力一定也有量子態(tài)，就和其他基本力一樣。研究者從 20 世紀(jì) 30 年代起就開始鉆研引力的量子理論。他們有一些可能的推測，最出名的是弦理論，認(rèn)為引力和其他的現(xiàn)象起源于及其小的弦振動(dòng)。但目前為止這些推測都還是推測，也沒有完全解釋清楚。引力的可行量子理論也許是當(dāng)下物理世界里最崇高的目標(biāo)了。
什么讓引力如此特別？第四種力為何如此特殊，以至于研究者也找不到它的潛在的量子描述？本文作者詢問了四位量子引力研究者，得到了四種不同的答案。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確地描述了引力跨越近 30 個(gè)數(shù)量級(jí)的行為，從亞毫米尺度一直到宇宙距離。任何其他的自然力都未曾被描述得如此精確、如此復(fù)雜。理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)、觀測結(jié)論完美匹配，廣義相對(duì)論似乎提供了對(duì)引力的終極詮釋。然而，廣義相對(duì)論的神奇之處在于它預(yù)言了自己的缺陷。
廣義相對(duì)論預(yù)測了黑洞和宇宙起源的大爆炸。然而這些地方存在神秘的“奇點(diǎn)”，時(shí)空曲率似乎接近無限，似乎成為了標(biāo)志廣義相對(duì)論崩潰的信號(hào)旗。在接近黑洞中心或大爆炸奇點(diǎn)的地方，廣義相對(duì)論的理論預(yù)言就不再正確。應(yīng)該有一個(gè)對(duì)時(shí)空更基本、深層的理論解釋來取代它。如果能將物理學(xué)理論翻開這新的一頁，我們或許能夠?qū)r(shí)空本身有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。
對(duì)于引力之外的任何一種自然力，我們都有希望設(shè)計(jì)更大能量、更小距離的實(shí)驗(yàn)來深入探測它。但引力不是普通的力。要想超過某個(gè)臨界點(diǎn)去揭開它的秘密，實(shí)驗(yàn)裝置本身就會(huì)坍塌成一個(gè)黑洞。
丹尼爾·哈洛（Daniel Harlow），麻省理工學(xué)院的量子引力理論物理學(xué)家，以將量子信息理論應(yīng)用于引力和黑洞的研究而聞名：
黑洞的存在是很難把引力和量子力學(xué)結(jié)合起來的原因。黑洞只可能是引力導(dǎo)致的，因?yàn)橐κ俏ㄒ灰环N作用于所有物質(zhì)的力，如果有任意一種粒子不受引力作用，那么我們就可以用這種粒子從黑洞內(nèi)部發(fā)出信息，那么它就不能算黑洞了。
所有物質(zhì)都受到引力作用，這一事實(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了限制：無論你建造什么儀器，用的什么材料，它都不能太重，否則它必然會(huì)在引力作用下坍縮成黑洞。日常情況下我們不需要考慮這樣的約束，但當(dāng)你試圖建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)來測量引力的量子力學(xué)性質(zhì)時(shí)，這點(diǎn)就變得至關(guān)重要。
我們對(duì)其他自然力的理解建立在定域性原理的基礎(chǔ)上。定域性原理認(rèn)為，描述空間每一點(diǎn)性質(zhì)的變量都可以獨(dú)立地改變，比如電場強(qiáng)度。我們稱這些變量為“自由度”，并且這只能直接影響到它們的近鄰。定域性對(duì)于我們目前描述粒子及其相互作用的方式很重要，其中體現(xiàn)了因果關(guān)系：如果我所在的馬薩諸塞州劍橋的自由度取決于舊金山的自由度，我們就可以利用這種相關(guān)性實(shí)現(xiàn)兩個(gè)城市之間的即時(shí)溝通，甚至可以給過去發(fā)送信息，這可能會(huì)違反因果關(guān)系。
定域性原理的假設(shè)在一般情況下已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證，假設(shè)它可以拓展到與量子引力相關(guān)的極短的距離上似乎是很自然的（這一距離很小，因?yàn)橐Ρ绕渌θ醯枚啵榱俗C實(shí)定域性原理在這些距離尺度上仍然存在，我們要建造一個(gè)裝置，以檢驗(yàn)即使兩個(gè)物體之間距離這么小，它們的自由度依然是獨(dú)立的。然而簡單計(jì)算表明，如果一個(gè)裝置足夠重，能避免它所在的位置出現(xiàn)大的量子漲落并破壞實(shí)驗(yàn)，那么它也必然重得足以坍縮成黑洞！因此，在這個(gè)尺度上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來證實(shí)定域性原理是不可能的。所以量子引力不需要在這種尺度上遵循定域性原理。
事實(shí)上，迄今對(duì)黑洞的研究表明，任何量子引力理論的自由度都應(yīng)該大大低于我們基于其他力所預(yù)測的自由度。這一思想被納入“全息原理”（holographic principle）中，粗略地說，該理論認(rèn)為空間區(qū)域里的自由度與其表面積而不是體積成正比。
粒子可以呈現(xiàn)出許多有趣和令人驚訝的現(xiàn)象。粒子可以自發(fā)產(chǎn)生，相距遙遠(yuǎn)的粒子之間也可以發(fā)生量子態(tài)糾纏，粒子可以存在于多個(gè)位置的疊加。
在量子引力中，時(shí)空本身表現(xiàn)出新的行為。這里并非創(chuàng)造粒子，而是創(chuàng)造宇宙。量子糾纏被認(rèn)為能夠在相距甚遠(yuǎn)的時(shí)空區(qū)域之間建立聯(lián)系。這里還會(huì)發(fā)生不同時(shí)空的宇宙疊加。
此外，從粒子物理學(xué)的角度來看，真空其實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的物體。我們可以想象許多被稱為場的實(shí)體相互疊加，并延伸到整個(gè)空間。每個(gè)場的值不斷發(fā)生小幅波動(dòng)，真空態(tài)就出現(xiàn)在這些波動(dòng)的場及其相互作用中。這種真空狀態(tài)下粒子是一種擾動(dòng)，可以把它們想象成真空結(jié)構(gòu)中的小缺陷。
當(dāng)考慮引力時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹似乎會(huì)憑空產(chǎn)生更多的真空物質(zhì)。當(dāng)時(shí)空被創(chuàng)造時(shí)，它恰好是一種沒有任何缺陷的真空。真空是如何恰好以正確的排列出現(xiàn)的，是對(duì)黑洞和宇宙學(xué)的一致的量子解釋需要回答的主要問題之一。在這兩種情況下都存在一種時(shí)空拉伸，這產(chǎn)生了更多的真空物質(zhì)。
引力無法計(jì)算
引力特別的原因有很多。我會(huì)具體關(guān)注一個(gè)方面：愛因斯坦廣義相對(duì)論在量子意義下是“不可重正的”（nonrenormalizable），這對(duì)引力在高能條件下的的行為有影響。
在量子理論中，試圖計(jì)算高能粒子如何相互散射和相互作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無限項(xiàng)。描述除引力以外的自然力的所有理論都屬于可重正理論（renormalizable theory），在這類理論中，我們可以通過適當(dāng)?shù)丶由掀渌捻?xiàng)，嚴(yán)謹(jǐn)而有效地抵消這些無限項(xiàng)，即所謂的反項(xiàng)（counterterm）。這個(gè)重正化（renormalization）過程能夠得出物理上合理的答案，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)高度符合。
廣義相對(duì)論量子理論的問題在于，描述高能引力子（graviton，引力的量子化單位）相互作用的計(jì)算將有無限多個(gè)無限項(xiàng)。這就需要永無止境地添加無限多的反項(xiàng)，也就是說無法進(jìn)行重正化。正因如此，愛因斯坦廣義相對(duì)論的量子理論版本不能很好地描述高能下的引力。這其中一定缺少了引力的一些關(guān)鍵特征和成分。
然而，我們?nèi)匀豢梢杂媒忉屪匀唤缰械钠渌嗷プ饔玫臉?biāo)準(zhǔn)量子技巧，對(duì)低能量下的引力做一個(gè)非常好的近似解釋。關(guān)鍵在于，這種解釋將在到達(dá)某個(gè)能量尺度時(shí)崩潰，或者等價(jià)地來說，在某個(gè)長度尺度下。
在這個(gè)能量尺度之上，或者在相應(yīng)的長度尺度之下，我們期望找到新的自由度和新的對(duì)稱。準(zhǔn)確地捕捉這些特征需要一個(gè)新的理論框架。這正是弦論或其他一些合適的廣義理論發(fā)揮作用的地方。弦論認(rèn)為，在很短的距離內(nèi)，引力子和其他粒子可以看成擴(kuò)展的物體，稱為弦。研究這種可能性可以告訴我們有關(guān)引力量子行為的寶貴信息。
原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/why-gravity-is-not-like-the-other-forces-20200615/
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