当重力消失

一个爱因斯坦的广义相对论已经有一百多年的历史了，但它仍然让物理学家头疼。爱因斯坦的方程式不仅难以解出，还与物理学家最珍视的另一项成就——量子理论相冲突。

问题是，粒子有量子特性．例如，它们可以同时出现在两个地方。这些粒子也有质量，质量引起引力。但由于引力没有量子属性，没有人真正知道在量子叠加中粒子的引力是什么。为了解决这个问题，物理学家需要量子引力理论。或者，因为爱因斯坦告诉我们，引力实际上是时空的曲率，物理学家需要一个关于空间和时间的量子属性的理论。

这是一个很难的问题，即使对理论物理学家这样的聪明人来说也是如此。自上世纪30年代以来，他们就知道量子引力是将秩序带入自然法则的必要条件，但80年过去了，还没有找到解决方案。前进道路上的主要障碍是缺乏实验指导。量子引力的作用极其微弱，而且从未被测量过，所以物理学家只能依靠数学。而且很容易在数学中迷失。

很难获得关于量子引力的观测证据的原因是，目前所有可能的实验都分为两类。我们要么测量量子效应——使用小而轻的物体——要么测量引力效应——使用大而重的物体。在这两种情况下，量子引力效应都很小。要了解量子引力的影响，你真的需要一个有明显量子特性的重物体，而这很难得到。

物理学家确实知道一些自然发生的情况，量子引力应该是相关的。但不是短距离的，虽然我经常听到。非量子化引力在能量密度变大，时空曲率变强的情况下就会失效。我要明确一点，天体物理学家认为的“强”曲率对于研究量子引力的人来说仍然是“弱”曲率。特别是，黑洞视界上的曲率远不足以引起明显的量子引力效应。

我们相信，足以使广义相对论崩溃的曲率，只存在于黑洞中心和大爆炸附近。在这两种情况下，强烈压缩的物质都具有高密度和显著的量子行为，这应该会引起量子引力效应。不幸的是，我们无法观察黑洞内部，通过今天的观测和现有的测量技术重建大爆炸时发生的事情，无法揭示量子引力的行为。

我们相信，足以使广义相对论崩溃的曲率，只存在于黑洞中心和大爆炸附近。

量子引力的相关机制也应该在质心能量极高的粒子碰撞中达到。如果你有一个足够大的对撞机——据估计，按照目前的技术，它的大小将与银河系差不多——你就可以将足够多的能量集中到空间的一个小区域，从而产生足够强的曲率。但我们不会在短期内建造这样的对撞机。

除了强时空曲率，还有另一种情况，引力的量子效应应该可以被测量，但经常被忽视:通过创建重物体的量子叠加。这导致了物质具有量子属性但重力不具有的近似(“半经典极限”)分解，揭示了真正的引力量子效应。几实验组目前正试图接触可能对这些影响敏感的政权。它们还有几个数量级要计算，所以还没到那个程度。

为什么物理学家不进一步研究这个问题呢?和往常一样，很难解释为什么科学家做一件事而不做另一件事。我只能猜测是因为，从理论的角度来看，这个案子并不那么有趣。

我知道我说过物理学家没有量子引力理论，但这只是部分正确。20世纪60年代，理查德·费曼和布莱斯·德威特已经用常规的量子化方法将引力量子化。然而，以这种方式得到的理论(“微扰量子引力”)，在物理学家想要使用它的强曲率范围(“微扰不可重整”)中崩溃。因此，这种方法今天被认为仅仅是一个低能量的近似(“有效理论”)，尚未发现完整的量子引力理论(“紫外线完成”)。

在20世纪60年代以后，几乎所有关于量子引力的研究都集中在发展完整的理论上。最著名的方法是弦理论、环量子引力理论、渐近安全理论和因果动力学三角法。然而，上面提到的在量子叠加中的重物体的情况，并没有产生强曲率，因此落入了自20世纪60年代以来就被认为很容易理解的枯燥理论的范畴。具有讽刺意味的是，由于这个原因，几乎没有任何理论预测这样一个实验，从任何一个主要的方法，以完整的量子引力理论。

事实上，杨-米尔斯理论的量子化过程是一个逻辑上的噩梦。

目前该领域的大多数人认为，微扰量子引力一定是任何量子引力理论的正确的低能量极限。然而，少数人认为事实并非如此，该俱乐部的成员通常引用以下原因中的一个或两个。

第一个反对意见是哲学上的。从一个不太基本的理论(非量子引力)推导出一个被认为更基本的理论(量子引力)在概念上没有多大意义，因为从定义上讲，推导出来的理论是较不基本的理论。的确，量子化过程杨振宁米尔斯理论是一场逻辑上的噩梦。你从一个非量子理论开始，使得到另一个理论变得更加复杂，尽管严格地说，这不是一个推导，如果你取经典极限你得到一个没有任何好的解释的理论。那你为什么要从头开始呢?

显而易见的答案是:我们这样做是因为它有效，我们这样做是因为历史的偶然，而不是因为它有很多意义。对于像我这样的实用主义者来说，这没有什么错，但也不是一个令人信服的理由，坚持同样的方法应该适用于重力。

第二个常被称为反对微扰量子化的论点是，你也不能通过量子化水得到原子物理学。因此，如果你认为引力不是一种基本的相互作用，而是来自大量微观成分的集体行为(想想“时空的原子”)，那么将广义相对论量子化就是错误的做法。

那些持这种观点的人，认为引力实际上是一些未知微观成分的体积理论，他们遵循一种叫做“涌现引力”的方法。Ted Jacobson, Thanu Padmanabhan和Erik Verlinde的(独立)观测支持了重力定律可以被改写，使它们看起来像热力学定律。我的观点在“有史以来最惊人的洞察力”和“无关紧要的好奇”之间摇摆不定，有时一天好几次。

尽管如此，如果你认为突现引力是研究量子引力的正确方法，那么我们所知道的引力在哪里会崩溃的问题就变得复杂了。在高曲率的情况下，它仍然会崩溃，但在其他情况下，你可能会看到偏离广义相对论的情况。

例如,Verlinde解释暗物质和暗能量是量子引力的遗物。如果你相信这一点，我们已经有了量子引力的证据!其他人提出，如果时空是由微观成分构成的，那么它可能具有体积属性，比如粘度，或产生通常与晶体有关的效应，如双折射，或光的色散。

总而言之，引力的量子效应应该与强时空曲率相关的预期是建立在一个毫无争议的外推基础上的，几乎该领域的每个人都同意这一点。*在研究量子引力的某些方法中，偏离广义相对论的情况也可能与远距离、低加速度或低能量有关。一个经常被忽视的可能性是用重物体的量子叠加来探测量子引力的影响。

我希望有生之年能看到量子引力的实验证据。

Sabine Hossenfelder是法兰克福高等研究院在那里，她研究标准模型之外的物理、现象学量子引力和广义相对论的修正。如果你想知道更多关于物理学基础的问题，请阅读她的书《迷失在数学:美丽如何使物理学误入歧途》。

＊除了我,有时候。

观察:我们可以统一物理学的伟大理论。

本文最初发表于BackRe(行动)Hossenfelder的博客，并经许可转载。