宇宙亟待解決的42個終極問題：3、量子引力

在道格拉斯·亞當斯的暢銷書《銀河系漫遊指南》里，超級計算機深思在思考了700萬年後，終於發現生命、宇宙及一切的答案是42。這個莫名其妙的答案令等待了700萬年的泛維度生物們開始抓狂。深思說，你們只要我求出簡單的答案，卻沒有提出終極問題是什麼，我可以為你們設計一台更為強大的電腦，來提出終極問題。這台電腦就是——地球，而所謂的泛維度生物——就是老鼠。

地球上的泛維度生物們現在無所事事，倒是人類科學家開始了探索宇宙的漫漫旅程，提出了關於生命、宇宙及一切的42個終極問題。這42個問題由美國得克薩斯州A＆M大學及烏普薩拉大學的物理學家羅蘭·艾倫和蘇西·利斯特羅姆共同提出，發表在預印網站arXiv上，今天解讀的是第三個問題：量子引力。由於水平有限，錯誤之處還請批評指正。

三、量子引力

起初，大爆炸創造時空，空虛混沌，淵面黑暗。

時空說，要有力，就有了弱力，強力，電磁力，引力，相繼分離。

時空說，要有粒子，就有了光子，中子，質子，中微子……相繼析出。

時空說，要有物質，就有了原子，分子，被各種力膠合在一起；原子分子又在引力作用下聚集在一起，就有了星系，恆星和行星。

大抵你也看出來了，宇宙之所以成為我們今天這樣子的關鍵，是四種力的分離，讓粒子從濃稠的宇宙湯中析出，被弱力、強力和電磁力束縛在一起，進而在引力作用下聚集在一起。夸克——原子核——原子分子——星系恆星，它們是以什麼規律組合在一起，形成我們這個光怪陸離無限神秘的有序宇宙的呢？

通過科學家們數百年來的努力，在描述微觀尺度粒子間的弱力、強力和電磁力時，我們創造了量子力學理論；在描述宏觀尺度的引力時，我們創造了廣義相對論。等等，好像有什麼問題呢？

是的，你沒有看錯，是有點問題，這些力既然是大爆炸後相繼分離的，為什麼要用兩種理論來描述呢？用一種不是更好嗎？

你的這個想法也是無數科學家們的想法，他們試圖建立一個萬有理論，或者叫量子引力理論來統一描述四種基本力，只是所有人都沒有成功，包括愛因斯坦。當科學家們試圖用量子力學來描述引力時，得到的總是毫無意義的無窮大，就像一個人試圖在太空里找到一架名叫量子引力的望遠鏡，既可以清清楚楚地看到整個地球，又可以清清楚楚地看到你鼻尖某隻蟎蟲身上某個有機分子里某顆碳原子核和它周圍電子的運行狀態。

這其中的關鍵就是一種叫引力子的東西，負責像玻色子、膠子、光子傳遞微觀粒子間的弱、強力和電磁力一樣，傳遞宏觀物質之間的引力，但到今天為止，我們依然還不知道引力子躲在哪裡和我們捉迷藏，更不知道引力子是如何傳遞引力的。

目前量子引力的最有力候選者有兩個，一個是弦理論，一個是圈量子引力，都試圖把量子力學和廣義相對論結合起來。弦理論（超弦理論或M-理論）認為所有粒子都是一根根一維的弦狀物，纏繞在六維的蜷縮空間中振動，不同的振蕩模式及能量就構成了不同的粒子。通過計算，科學家們很快發現弦的頻譜中包括了引力子，但由於六維蜷縮空間存在巨大的可能模式（至少有10^500個），計算極其複雜，依然無法完全解釋引力和引力子是如何作用的。

圈量子引力則認為世界本沒有時空，無數關係性循環織出的網路交織在一起，就形成了時空結構，這些網路就是時空結構中不可再分的最小空間，每條邊的長度是普朗克長度（1.6×10^-33厘米）。在普朗克尺度下，時空充滿著隨機的量子漲落，圈量子引力通過自旋網路來表徵量子態和實現引力的量子化。

弦理論和圈量子引力都試圖建立時空獨立的背景體系，各種宇宙事件在背景舞台上演繹，從而用單一理論統一所有的力和粒子。弦理論從微觀的量子理論向宏觀的引力方向發展，試圖吞併廣義相對論的地盤；圈量子引力論則從廣義相對論出發，由宏觀引力向微觀方向推進，攻取量子力學的疆域。雖然現在爭鋒相對，但一些科學家認為，二者很可能就是一個理論的兩個方面，終將殊途同歸，幸福地生活在一起。

（當圈量子引力遇上弦）

不幸地是，經過幾十年無數科學家的努力，這兩個理論仍然無法做出標準模型或實驗所能檢測到的令人信服的預測，所以量子引力仍然是一個極具挑戰性和亟待解決的問題。

長按下圖關注科學科普公眾號：徐德文。新浪博客認證知名科學科普博主，今日頭條悟空問答簽約作者、科普作者，騰訊企鵝科普達人。每天一篇科學探索文章，找回你童年時天天看十萬個為什麼的感覺。

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