廣義相對論

讓我們從牛頓第一運動定律開始，該定律指出，除非受到不平衡的外力作用，否則物體處於靜止或永不停止的勻速直線運動。1907年的一天，愛因斯坦在瑞士專利局工作時，設想了牛頓的萬有引力思想，並想象自己從附近大樓的屋頂上掉下來。

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這使他認識到這樣一個事實：即使一個物體在自由落體中沒有受到任何外力，它仍然會加速向地面移動。一個沒有受到力的物體應該以恆定的速度前進。

但由於重力而加速的物體卻感覺不到任何力。

愛因斯坦意識到，如果他解決了這個悖論，他可能會解釋引力的起源。愛因斯坦稱這是“我一生中最快樂的想法！”然後他設想了一個宇宙，在這個宇宙中，引力不是一種力，而是彎曲的時空的一種幾何屬性，圍繞著大質量物體而扭曲。正如著名的理論物理學家約翰-惠勒（他還創造了“黑洞”和“蟲洞”這兩個詞）用短短12個字描述了愛因斯坦的廣義相對論。

時空告訴物質如何移動，物質告訴時空如何彎曲。

愛因斯坦花了數年時間研究數學，並於1915年發表了他的廣義相對論，該理論被認為是數學上和實驗上最一致的引力理論。廣義相對論的定律主要制約著宇宙的大尺度結構。

20世紀初，愛因斯坦作為一個

專利局職員

。

量子力學

支配原子和亞原子世界的理論是量子力學，它由馬克斯-普朗克開創，並由許多著名的物理學家進一步發展，如尼爾斯-玻爾、德-博格利、E-薛定諤、W-海森堡和沃爾夫岡-

泡利

等等。

經典力學與量子力學的區別是什麼？

經典力學處理的是宏觀世界，而量子力學處理的是基本粒子和它們的相互作用。經典力學是基於牛頓的運動定律，而接近量子力學的方法之一是基於薛定諤的一維波方程。經典力學處理的是確定性問題，而量子力學處理的是機率性問題。

量子力學的基礎在於對光的波粒二象性的理解

。理論物理學家德布羅意在1924年提出了這個命題。德布羅意的物質波假說認為，任何具有線性動量的物質粒子也是一種波。與一個粒子相關的物質波的波長與該粒子的線性動量的大小成反比。而另一個作為量子力學基礎的概念是不確定性原理，也叫海森堡不確定性原理，由德國物理學家維爾納-海森堡於1927年提出，它指出物體的位置和速度不能同時被精確測量，即使在理論上也是如此。

薛定諤方程是量子力學的另一個主要方面，由物理學家埃爾溫-薛定諤於1925年提出，並於1926年發表，構成了他在1933年獲得諾貝爾物理學獎的基礎。該方程發揮了經典力學中牛頓定律和能量守恆的作用，即預測動態系統的未來行為。就波函式而言，它是一個波方程，可以分析和精確地預測事件的機率。

量子力學的先驅們（從上到下）尼爾斯-玻爾、阿爾伯特-愛因斯坦、馬克斯-普朗克和（下）沃爾夫岡-

泡利

、維爾納-海森堡、埃爾溫-薛定諤

粒子物理學的標準模型

粒子物理學的標準模型描述了宇宙中的大部分粒子及其相互作用，以及自然界四種基本力中的三種（電磁、弱和強相互作用，而忽略了引力）。由膠子攜帶的強力將原子核結合在一起，使其穩定。由W和Z玻色子攜帶的弱力引起核反應，為太陽等恆星提供了數十億年的動力。第四種基本力是引力，標準模型沒有充分解釋它。我們對這些粒子和三種力如何相互關聯的最佳理解被“編譯”在粒子物理學的標準模型中。該模型開創於20世紀70年代初，成功地解釋了幾乎所有的實驗結果，並精確地預測了各種各樣的現象。隨著時間的推移和許多實驗的進行，標準模型已被確立為一種經過充分檢驗的物理學理論。引力是一種非常非常弱的力（比電磁力弱10^40倍）。

粒子物理學的標準模型

問題出在哪裡？

這種不一致要求量子引力理論來解釋所有的力。它以類似於量子力學預測光子存在的方式，推測出一種叫做“引力子”的無質量粒子的存在。引力子是介導引力的粒子。

引力子是一種非常特殊的粒子，它必須根據量子引力的預測而存在。但問題是，由於引力是一種極其微弱的力，利用今天的任何粒子物理學實驗，都不可能製造出引力子。

然而，如果我們以一種完全不同的方式來描繪物理世界/維度，那麼有一個很小的可能性，那就是我們可能很快在某一天找到這樣的一個粒子。如果宇宙有超出3維空間的微小維度，我們就有可能找到引力子。

談到量子引力，到目前為止已經取得了許多進展，但有兩個理論在數學一致性方面非常突出，它們在統一廣義相對論和量子力學方面似乎很有希望。

超弦理論

環量子引力論（圈量子引力）

超對稱弦理論

該理論提出存在一種被稱為弦的

一維物體，它能形成閉合的環，然後這種環的運動發生在10維空間

。一個環的直徑是普朗克長度的數量級。

在這個理論中，一個環的振盪可以產生一個無質量電荷的引力子。但由於沒有超對稱或弦的實驗證據，所以我們可以得出結論，弦理論可能被證明不過是數學上的猜測。

用振動的弦代替點狀粒子的概念的起源可以追溯到20世紀60年代。弦理論預言了一種質量為零、自旋為2的粒子。兩位數學物理學家約翰-施瓦茨（ John Schwarz）和喬爾-舍克（

Joel Scherk

）在1974年發現，這個粒子正是引力子，引力的量子載體。這為調和引力與量子力學創造了一個極其驚人的出路。理論物理學家倫納德-姆洛迪諾（Leonard Mlodinow）稱讚施瓦茨和舍克的“驚人發現”，即引力是弦理論的一部分，可以“調和廣義相對論和量子力學之間的矛盾”。

多種振動弦

超弦理論，被現代科學界許多偉大的知識分子，包括1990年菲爾茲獎獲得者和數學物理學家愛德華-威騰（Edward Witten），認為是最有希望成為萬物理論的理論。然而，該理論有其自身的侷限性。超弦理論是建立在超對稱的基礎上的，而到目前為止還沒有發現這種超對稱粒子。因此，基本上，缺乏實驗證據是對該理論的嚴重限制，儘管它在理論上是準確的，極有希望的，在數學上也是非常一致的。

環量子引力論（LQG）

LQG指出，時空在與普朗克尺度相當的尺度上是明確量化的，並且具有隱性的顆粒結構。

在四維時空中，這些環導致了

自旋泡沫（ spin foam）

。它已經成功地將量子引力重整化為2個環。

但如何將物質加入到理論中，以及如何將理論從普朗克尺度擴充套件到低能量尺度，又擴充套件到連續體層面，目前尚不清楚。如果我們用這些節點和網格線來描繪三維的自旋網路。它看起來像這樣：

環量子引力論的起源可以追溯到1986年，當時印度理論物理學家阿貝·阿西提卡（Abhay Ashtekar ）提出了愛因斯坦廣義相對論場方程的量子公式。1988年，物理學家李·斯莫林（Lee Smolin）和卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）擴充套件了這一研究思路，並在1990年表明，在這種方法下，引力是量化的。

環量子引力論三個成功之處是：

它量化了廣義相對論的3維空間幾何。

它允許對黑洞熵進行計算。

我們可以理解環量子引力論的方式是，它納入了廣義相對論，基本上只是廣義相對論的量子幾何版本。它使時空離散，不需要一個力的載體或任何粒子（引力子）來描述引力。

到目前為止，還沒有一個這樣的理論被普遍接受並被實驗所證實。

因此，"量子引力"這個詞實際上是一個未解決的問題，而不是一個理論。