量子引力的知識

雖然標(biāo)準(zhǔn)模型涵蓋了大部分已知的基本力，例如電磁力、強(qiáng)核力和弱核力以及希格斯場，但該模型完全沒有提及真正將宇宙結(jié)合在一起的力——引力。

引力比其他已知的力弱得令人難以置信。在原子核大小的尺度上，弱力比強(qiáng)力弱大約100000倍，但引力比這還弱得多，它大約比強(qiáng)力弱10?1倍。這就像將微小的質(zhì)子與可見宇宙的大小進(jìn)行比較，這是一個(gè)巨大的差異。

由于引力在量子世界中如此微弱，我們不可能在粒子物理實(shí)驗(yàn)中看到任何引力效應(yīng)。事實(shí)上，如果我們只是分析粒子物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，我們甚至不知道引力的存在。

我們知道引力的原因是因?yàn)樗袩o限的范圍和高達(dá)銀河系甚至星系團(tuán)的尺度，我們可以看到它的工作原理基本上就像牛頓350年前預(yù)測的那樣。需要小行星、行星或恒星的質(zhì)量才能完全看到引力。

就像前面說的，在和質(zhì)子差不多大的時(shí)候，引力是很弱的。但是引力即使很弱，也必須適用于微觀世界。而且，由于我們最好的引力理論是愛因斯坦的廣義相對論，最好的情況就是將該理論應(yīng)用到亞原子領(lǐng)域。

舉個(gè)例子，讓我們想象一個(gè)電子繞著原子核運(yùn)行。如果這樣做，我們會發(fā)現(xiàn)愛因斯坦的理論預(yù)測電子會因引力波的發(fā)射而失去能量，然后螺旋下降與質(zhì)子相碰。使用經(jīng)典電磁學(xué)的類似預(yù)測導(dǎo)致了量子力學(xué)的發(fā)明，同樣的道理也表明引力也必須具有某種量子性質(zhì)。

懷疑引力必須具有量子性質(zhì)的另一個(gè)原因是：我們有其他力的量子理論，廣義相對論是經(jīng)典理論，不可能將量子理論和經(jīng)典理論無縫結(jié)合。這被視為應(yīng)該存在量子引力理論的額外證據(jù)，否則我們將無法寫出一個(gè)準(zhǔn)確描述視界的統(tǒng)一理論。

如果我們接受量子引力的概念，我們可以得出一些對所有此類理論都適用的基本結(jié)論。一個(gè)這樣的結(jié)論是，應(yīng)該有一種叫做引力子的粒子。就像電磁學(xué)的量子理論預(yù)測光子存在一樣，量子引力預(yù)測引力子必須存在。

現(xiàn)在我們從未見過引力子，這意味著我們不應(yīng)該輕易相信它。但是，如果它存在，為了與牛頓和愛因斯坦的引力理論一致，該粒子必須具有某些特性：要擁有引力的無限范圍，引力子必須是無質(zhì)量的，引力子的量子力學(xué)自旋必須為2，引力子必須是電中性的。

該理論預(yù)測了一種具有非常特殊性質(zhì)的粒子，所以下一步就是去尋找它了。但是，問題是引力太弱了，所以在粒子物理實(shí)驗(yàn)中基本上不可能制造引力子。即使使用我們想象中一百年后的技術(shù)建造的加速器，我們也不可能找到引力子。

有一種很小的可能性，我們會在不久的將來看到引力子，但前提是宇宙與我們看起來的有很大不同。如果宇宙除了熟悉的三個(gè)維度之外還有額外的微小維度，我們就有可能找到引力子，甚至還有可能找到大質(zhì)量引力子。坦率地說，雖然有這種可能，但希望不大。

回到更基本的量子引力概念，這個(gè)主題有沒有任何理論進(jìn)展？事實(shí)上，已經(jīng)提出了一些量子引力理論，其中一個(gè)是超弦理論，它說物質(zhì)的最小組成部分實(shí)際上是非常小的弦。這一理論多年來一直非常流行，盡管有些人批評它沒有做出可檢驗(yàn)的預(yù)測。

另一個(gè)流傳已久的想法被稱為“圈量子引力”。該理論的數(shù)學(xué)相當(dāng)復(fù)雜，但其基本思想是存在最小的空間和時(shí)間量子。在普通尺度中，可以將一個(gè)一米長的物體切割成兩個(gè)半米長的物體。但當(dāng)達(dá)到一定尺寸時(shí)，實(shí)際上再也無法制作更小的物體。這個(gè)最小空間和時(shí)間的物理維度太小而無法在粒子物理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測試。

這些研究尚無定論，到目前為止還沒有證據(jù)證實(shí)這些想法，所以量子引力還沒有得到證實(shí)。