我們問了四位物理學(xué)家，為什么引力在各種力中顯得那么獨(dú)特。從四位物理學(xué)家那里，得到了四個(gè)不同的答案。
物理學(xué)家仍然在思考，蘋果為什么會(huì)落下？
物理學(xué)家們已經(jīng)將自然界四種力中的三種：電磁力、強(qiáng)核力和弱核力對(duì)應(yīng)到其量子粒子的起源，但第四種力：引力，卻跟其他的三種不同。
一個(gè)世紀(jì)前，阿爾伯特·愛因斯坦建立了沿用至今的萬有引力的框架，它告訴我們蘋果從樹上掉下來以及行星圍繞恒星運(yùn)行都是由于他們?cè)跁r(shí)空連續(xù)體中沿曲線運(yùn)行，這些曲線就是引力曲線。愛因斯坦認(rèn)為，引力是時(shí)空介質(zhì)的一個(gè)特征，自然界的其他力在這個(gè)階段中發(fā)揮作用。
但是在黑洞的中心附近或者是宇宙的開端，愛因斯坦的方程失效了。為了精確描述這些極端情況，物理學(xué)家們需要一個(gè)更真實(shí)的引力圖像，它在除極端之外的情況下也必須跟愛因斯坦方程一樣準(zhǔn)確。
物理學(xué)家認(rèn)為，就像其他的三種力一樣，在這個(gè)更真實(shí)的理論中，引力必須有量子形式。早在20世紀(jì)30年代，研究人員就一直在尋找引力的量子理論。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些可能的想法，特別是弦論——弦論認(rèn)為引力和其他的現(xiàn)象都是由弦的微小振動(dòng)產(chǎn)生的，但目前為止，這些都還是猜測且并沒有被完全理解。也許，尋找一個(gè)有效的量子理論是當(dāng)今物理學(xué)中的最崇高的目標(biāo)。
是什么使得引力如此獨(dú)特？
發(fā)現(xiàn)這第四種具有潛在量子屬性的力與之前有什么不同？
我們?cè)儐柫怂奈徊煌牧孔右ρ芯空?，得到了四份答案?/p>
引力孕育奇點(diǎn)
倫敦帝國理工學(xué)院的理論物理學(xué)家克勞迪婭·德拉姆曾研究過質(zhì)量引力理論，該理論假設(shè)，引力的量子單元是具有質(zhì)量的粒子。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確地描述了引力在近30個(gè)數(shù)量級(jí)上的行為：從亞毫米尺度一直到宇宙距離。沒有任何一種其他的力可以在如此寬廣的尺度范圍內(nèi)具有如此精度。實(shí)驗(yàn)和觀測的一致性達(dá)到了如此高的水平，廣義相對(duì)論似乎可以提供引力的終極描述。然而，廣義相對(duì)論的令人驚訝之處在于它預(yù)言了自己的衰落。
廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞和宇宙起源之時(shí)的大爆炸。然而，這些地方的“奇點(diǎn)”，即時(shí)空曲率無限大的神秘點(diǎn)，卻充當(dāng)了廣義相對(duì)論崩潰的信號(hào)旗。隨著人們接近黑洞中心的奇點(diǎn)或大爆炸奇點(diǎn)時(shí)，廣義相對(duì)論的預(yù)測就不再正確，此時(shí)，應(yīng)該有對(duì)空間和時(shí)間的更基本、更底層的描述。如果我們能揭開這一新的物理層，或許我們能夠?qū)臻g和時(shí)間本身有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。
如果引力是自然界中任何其他的一種力，我們可以通過能量更高、距離更小的實(shí)驗(yàn)來對(duì)其進(jìn)行深入探測。但是引力與普通力不同，當(dāng)試著揭開其本質(zhì)，將實(shí)驗(yàn)聚焦于某一個(gè)點(diǎn)上時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置本身就會(huì)坍縮為一個(gè)黑洞。
引力導(dǎo)致黑洞
麻省理工學(xué)院的量子引力理論家丹尼爾·哈洛因將量子信息論應(yīng)用于引力和黑洞的研究而聞名。
引力和量子力學(xué)難以結(jié)合的原因是：黑洞。黑洞只能是引力的結(jié)果，因?yàn)橐κ撬形镔|(zhì)都可以感受到的唯一力。如果有任何一種粒子沒有引力，那么就可以利用這種粒子從黑洞內(nèi)部發(fā)送信息，那么黑洞實(shí)際上就不會(huì)是黑色的了。
所有物質(zhì)都能受到引力作用的事實(shí)限制了很多實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行：無論你建造的是什么設(shè)備，由什么制成，它都不能太重，否則其必將在引力的作用下坍塌為一個(gè)黑洞。這個(gè)約束在日常中無關(guān)緊要，但是如果想嘗試構(gòu)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)來測量引力的量子力學(xué)特性，則它變得至關(guān)重要。
我們對(duì)自然界其他力的理解是建立在定域性原理的基礎(chǔ)上的，定域性原理認(rèn)為，描述空間每一點(diǎn)上發(fā)生的事情的變量——比如那里的電場強(qiáng)度——都可以獨(dú)立地改變。此外，這些變量，我們稱之為“自由度”，只能直接影響他們的近鄰。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，因?yàn)樗Ａ袅艘蚬P(guān)系。比如說，如果馬薩諸塞州劍橋市的自由度取決于舊金山的自由度，我們或許可以利用這種依賴性，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)城市之間的即時(shí)溝通，甚至向過去發(fā)送信息，從而可能違反因果關(guān)系。
定域性假設(shè)在一般情況下得到了很好的驗(yàn)證，并且可以推測它能夠擴(kuò)展到與量子引力相關(guān)的非常短的距離內(nèi)（這些距離很小，因?yàn)橐Ρ绕渌θ醯枚啵榱舜_認(rèn)這些短距離尺度上的定域性，我們需要建立一個(gè)測試裝置，這個(gè)裝置能夠測出在距離如此近時(shí)，自由度是否獨(dú)立。然而，一個(gè)簡單的計(jì)算表明，就算是一個(gè)只在其位置上避免量子漲落的裝備，也會(huì)由于太重而坍塌成黑洞！因此，在這個(gè)尺度上滿足定域性是不可能的。因此，在這個(gè)長度尺度上，量子引力不需要遵守定域性。
事實(shí)上，迄今為止，我們對(duì)黑洞的理解表明，任何量子引力理論的自由度的數(shù)量，都應(yīng)該大大低于我們根據(jù)其他力的經(jīng)驗(yàn)所預(yù)期的自由度。這一思想被編入“全息原理”中，粗略地說，空間區(qū)域的自由度與其表面積成正比，而不是體積。
黑洞 | wiki
引力無中生有
新澤西州普林斯頓高級(jí)研究所的量子引力理論家胡安·馬爾達(dá)塞納，他最著名的成就是發(fā)現(xiàn)了引力和量子力學(xué)之間類似全息圖的關(guān)系。
粒子可以展示很多有趣和令人驚訝的現(xiàn)象。粒子可以自發(fā)地產(chǎn)生，相距很遠(yuǎn)的粒子之間會(huì)有糾纏，存在多個(gè)位置的疊加粒子。
在量子引力中，時(shí)空本身以新穎的方式表現(xiàn)。我們不創(chuàng)造粒子，而是創(chuàng)造宇宙。糾纏被認(rèn)為在遙遠(yuǎn)的時(shí)空區(qū)域之間建立聯(lián)系，不同時(shí)空的宇宙可以有疊加態(tài)。
此外，從粒子物理學(xué)的角度來看，空間的真空是一個(gè)復(fù)雜的對(duì)象。我們可以想象許多稱為場的實(shí)體，它們相互疊加并延伸到整個(gè)空間。每個(gè)場的值在短距離內(nèi)不斷波動(dòng)，從這些波動(dòng)的場及其相互作用中，真空出現(xiàn)。在這種真空狀態(tài)下，粒子被看作是干擾，我們可以將它們描述為真空結(jié)構(gòu)中的小缺陷。
當(dāng)我們考慮引力時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹似乎會(huì)從虛無中產(chǎn)生更多的真空物質(zhì)。當(dāng)時(shí)空被創(chuàng)造出來時(shí)，它恰好與沒有任何缺陷的真空相對(duì)應(yīng)。我們需要回答真空是如何出現(xiàn)的問題，從而獲得對(duì)黑洞和宇宙學(xué)的同樣的量子描述。在這兩種情況下，都存在一種時(shí)空拉伸，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的真空物質(zhì)。
引力不能被計(jì)算
里海大學(xué)理論物理學(xué)家塞拉·克雷莫尼尼從事弦理論、量子引力和宇宙學(xué)研究。
有很多原因可以解釋引力是特別的。集中在一個(gè)方面來談的話，愛因斯坦廣義相對(duì)論的量子版本是“不可重整化的”，這對(duì)高能的引力行為有很大影響。
在量子理論中，當(dāng)你試圖計(jì)算高能粒子之間的散射和相互作用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)無窮項(xiàng)。在可重整化的理論中（包括除引力以外的所有自然力的理論），我們可以通過適當(dāng)?shù)丶由掀渌?，即所謂的反項(xiàng)，以嚴(yán)格的方式消除這些無窮大。這一重整化過程可產(chǎn)生物理上與實(shí)驗(yàn)相符合的答案，具有非常高的準(zhǔn)確性。
廣義相對(duì)論量子版的問題在于，描述高能引力子相互作用的計(jì)算——量子化引力單位——將有無限多個(gè)無限項(xiàng)。你需要在一個(gè)永無止境的過程中添加無限多的反條件，重整化將失敗。正因?yàn)槿绱?，愛因斯坦廣義相對(duì)論的量子版本并不能很好地描述高能下的引力，中間必然缺少了引力的一些關(guān)鍵特征和成分。
然而，在低能條件下，我們?nèi)匀豢梢杂脴?biāo)準(zhǔn)量子技術(shù)對(duì)引力有一個(gè)非常好的近似描述，這些技術(shù)可以用于自然界中的其他相互作用。很重要的一點(diǎn)是，這種對(duì)引力的近似描述將在某個(gè)能量尺度下失效，或者說是在某個(gè)長度以下失效。
在這個(gè)能量尺度下，或者在相關(guān)的長度尺度下，我們期望找到新的自由度和新的對(duì)稱性。為了準(zhǔn)確地捕捉這些特征，我們需要一個(gè)新的理論框架。這正是弦理論或一些其他推論的來源：根據(jù)弦理論，在很短的距離內(nèi)，我們會(huì)看到引力子和其他粒子是擴(kuò)展的物體，稱為弦。研究這種可能性可以給我們提供有關(guān)引力量子行為的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
作者：Natalie Wolchover
翻譯：Nuor
審校：xux
原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/why-gravity-is-not-like-the-other-forces-20200615/
