參考消息網10月22日報道 西班牙《趣味》月刊網站近日刊登題為《難以捉摸的量子引力：愛因斯坦、霍金與不可能的夢想》的文章，作者是弗朗西斯科·比利亞托羅，內容編譯如下：

  宇宙由兩種成分構成：廣義相對論描述的時空以及標準模型中的量子場。然而，此二者無法融入單一的理論體系。愛因斯坦及數代物理學家的夢想便是將其統一於量子引力理論之下，從而解釋奇點、黑洞乃至宇宙起源之謎。

  奇點問題

  二十世紀物理學的偉大遺産在於揭示宇宙中的絕對一切皆由經典時空與量子場構成。時空是引力的動態載體，由廣義相對論描述；場則是構成所有物質與輻射的粒子的載體，由標準模型框架下的量子場論闡釋。這種宇宙的雙重性質令大多數物理學家感到不滿，他們夢想著對時空和引力，即難以捉摸的量子引力進行量子描述。這是發展統一理論的關鍵，該理論能夠將引力與其他基本相互作用力（電磁力、弱相互作用力和強相互作用力）統一起來。

  這看似一個美學問題，但愛因斯坦的引力理論並非完美無瑕。彭羅斯和霍金證明了奇點可能出現，在奇點中經典時空概念就失去意義，理論不再適用。未來的量子引力理論或將使我們能夠消除黑洞內部以及大爆炸宇宙模型初始階段的奇點。此外，它還將揭示普朗克尺度下時空的量子本質。在此尺度下，連續時空預計將被量子泡沫所取代，其中混沌波動使粒子與虛擬黑洞以一種難以言喻的方式相互交織。這種量子泡沫或可促使某些宇宙尺度物理現象産生可觀測效應，例如宇宙射線在數十億年間傳播的過程。

  難以計算

  1915年11月，描述引力的廣義相對論誕生。作為量子物理學的奠基人之一，愛因斯坦本人在1916年曾斷言量子理論必將改變引力波物理學，正如其改變電磁波物理學那樣。1918年他再次重申此觀點，但1919年卻徹底轉變了想法：他提出了伴隨余生的夢想——基於經典幾何公式，尋求電磁學與引力學的統一理論。如今我們知道，量子物理學背後的經典描述與2022年諾貝爾物理學獎獲獎的量子實驗相矛盾。

  時空幾何由愛因斯坦的引力場方程描述。三維空間中的度量張量的十個分量滿足愛因斯坦方程，該方程等效於八個耦合的非線性方程。因此引力場僅具有兩個物理自由度，而這兩個自由度對應引力波的兩種偏振狀態。方程的高度冗余性導致存在無限多种經典配置來描述引力場的每個物理狀態。該理論被認為在一般坐標下保持不變，故得名廣義相對論。遺憾的是，我們無法僅用兩個物理自由度描述引力。愛因斯坦方程中的冗余性使其可被解釋為規範理論。

  廣義相對論可採用與電磁學相同的量化方法，所有方法均指向相同的量子引力理論。在牛頓引力中，質量是引力荷載。而在愛因斯坦引力中，能量密度與動量則充當荷載。因此引力是一種普適性相互作用，影響所有粒子（因所有粒子均具有能量，包括無質量粒子，如光子）。量子引力將任意兩粒子間的相互作用描述為虛引力子的交換過程。由於引力子具有能量，它可以與其他引力子相互作用，從而導致難以計算的非線性理論。但該理論的問題遠不止於此。

  缺乏實驗

  量子引力理論面臨的最大難題在於，沒有人懂得如何進行引力子實驗，甚至有觀點認為，需要建造一個堪比整個星系規模的烏托邦式粒子對撞機。事實上，目前甚至無法確定引力子是否存在，因為至今尚未觀測到其蹤跡。引力波並非其存在的證據，因為1千赫茲（美國激光干涉儀引力波天文&觀測到的典型頻率）的引力波，每立方厘米僅含約101個引力子。

  由於引力相互作用過於微弱，無法通過實驗觀測量子效應。雖能計算牛頓引力勢與庫侖電勢的量子修正項，但其數值微乎其微。儘管如此，科學界仍將希望寄託於未來幾代宇宙微波背景輻射空間觀測站進行的超高精度宇宙學觀測。

  目前已有許多處於不同發展階段的量子引力理論候選方案。其中弦理論和量子圈重力理論是最先進且最具發展前景的提案。二者的根本區別在於：前者在所有能量尺度上具有相對論不變性，而後者在普朗克尺度上則不具備此特性。此外還有諸多候選理論，如漸近安全量子引力、因果集理論、因果動態三角剖分理論以及基於非交換幾何的引力理論等。迄今為止，這些理論均未能為我們解釋如何消除黑洞內部奇點並理解時空的量子本質，也未能構建出滿足愛因斯坦統一夢想的萬物理論。（編譯/劉麗菲）