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，弱力比強力弱大約100000倍，但引力比這還弱得多，它大約比強力弱10?1倍。這就像將微小的質(zhì)子與可見宇宙的大小進行比較，這是一個巨大的差異。

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驗中看到任何引力效應(yīng)。事實上，如果我們只是分析粒子物理實驗的數(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為它有無限的范圍和高達銀河系甚至星系團的尺度，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。

舉個例子，讓我們想象一個電子繞著原子核運行。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，所以在粒子物理實驗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，這個主題有沒有任何理論進展？事實上，已經(jīng)提出了一些量子引力理論，其中一個是超弦理論，它說物質(zhì)的最小組成部分實際上是非常小的弦。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的預(yù)測。

另一個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間量子。在普通尺度中，可以將一個一米長的物體切割成兩個半米長的物體。但當(dāng)達到一定尺寸時，實際上再也無法制作更小的物體。這個最小空間和時間的物理維度太小而無法在粒子物理實驗中進行測試。

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