西班牙《趣味》月刊网站近日刊登题为《难以捉摸的量子引力：爱因斯坦、霍金与不可能的梦想》的文章，作者是弗朗西斯科·比利亚托罗，内容编译如下：

宇宙由两种成分构成：广义相对论描述的时空以及标准模型中的量子场。然而，此二者无法融入单一的理论体系。爱因斯坦及数代物理学家的梦想便是将其统一于量子引力理论之下，从而解释奇点、黑洞乃至宇宙起源之谜。

奇点问题

二十世纪物理学的伟大遗产在于揭示宇宙中的绝对一切皆由经典时空与量子场构成。时空是引力的动态载体，由广义相对论描述；场则是构成所有物质与辐射的粒子的载体，由标准模型框架下的量子场论阐释。这种宇宙的双重性质令大多数物理学家感到不满，他们梦想着对时空和引力，即难以捉摸的量子引力进行量子描述。这是发展统一理论的关键，该理论能够将引力与其他基本相互作用力（电磁力、弱相互作用力和强相互作用力）统一起来。

这看似一个美学问题，但爱因斯坦的引力理论并非完美无瑕。彭罗斯和霍金证明了奇点可能出现，在奇点中经典时空概念就失去意义，理论不再适用。未来的量子引力理论或将使我们能够消除黑洞内部以及大爆炸宇宙模型初始阶段的奇点。此外，它还将揭示普朗克尺度下时空的量子本质。在此尺度下，连续时空预计将被量子泡沫所取代，其中混沌波动使粒子与虚拟黑洞以一种难以言喻的方式相互交织。这种量子泡沫或可促使某些宇宙尺度物理现象产生可观测效应，例如宇宙射线在数十亿年间传播的过程。

难以计算

1915年11月，描述引力的广义相对论诞生。作为量子物理学的奠基人之一，爱因斯坦本人在1916年曾断言量子理论必将改变引力波物理学，正如其改变电磁波物理学那样。1918年他再次重申此观点，但1919年却彻底转变了想法：他提出了伴随余生的梦想——基于经典几何公式，寻求电磁学与引力学的统一理论。如今我们知道，量子物理学背后的经典描述与2022年诺贝尔物理学奖获奖的量子实验相矛盾。

时空几何由爱因斯坦的引力场方程描述。三维空间中的度量张量的十个分量满足爱因斯坦方程，该方程等效于八个耦合的非线性方程。因此引力场仅具有两个物理自由度，而这两个自由度对应引力波的两种偏振状态。方程的高度冗余性导致存在无限多种经典配置来描述引力场的每个物理状态。该理论被认为在一般坐标下保持不变，故得名广义相对论。遗憾的是，我们无法仅用两个物理自由度描述引力。爱因斯坦方程中的冗余性使其可被解释为规范理论。

广义相对论可采用与电磁学相同的量化方法，所有方法均指向相同的量子引力理论。在牛顿引力中，质量是引力荷载。而在爱因斯坦引力中，能量密度与动量则充当荷载。因此引力是一种普适性相互作用，影响所有粒子（因所有粒子均具有能量，包括无质量粒子，如光子）。量子引力将任意两粒子间的相互作用描述为虚引力子的交换过程。由于引力子具有能量，它可以与其他引力子相互作用，从而导致难以计算的非线性理论。但该理论的问题远不止于此。

缺乏实验

量子引力理论面临的最大难题在于，没有人懂得如何进行引力子实验，甚至有观点认为，需要建造一个堪比整个星系规模的乌托邦式粒子对撞机。事实上，目前甚至无法确定引力子是否存在，因为至今尚未观测到其踪迹。引力波并非其存在的证据，因为1千赫兹（美国激光干涉仪引力波天文台观测到的典型频率）的引力波，每立方厘米仅含约101个引力子。

由于引力相互作用过于微弱，无法通过实验观测量子效应。虽能计算牛顿引力势与库仑电势的量子修正项，但其数值微乎其微。尽管如此，科学界仍将希望寄托于未来几代宇宙微波背景辐射空间观测站进行的超高精度宇宙学观测。

目前已有许多处于不同发展阶段的量子引力理论候选方案。其中弦理论和量子圈重力理论是最先进且最具发展前景的提案。二者的根本区别在于：前者在所有能量尺度上具有相对论不变性，而后者在普朗克尺度上则不具备此特性。此外还有诸多候选理论，如渐近安全量子引力、因果集理论、因果动态三角剖分理论以及基于非交换几何的引力理论等。迄今为止，这些理论均未能为我们解释如何消除黑洞内部奇点并理解时空的量子本质，也未能构建出满足爱因斯坦统一梦想的万物理论。（编译/刘丽菲）