量子力學(xué)和相對論的核心矛盾，為什么難以統(tǒng)一？

引力子在哪？或者說 引力壓根就不存在引力子

在物理學(xué)在統(tǒng)一的道路上，面臨最重要的一個(gè)問題就是引力子問題，如果不存在引力子，那是否可以說明引力就不是力。

引力子也是量子力學(xué)和廣義相對論的核心矛盾。

本期內(nèi)容將為你揭開量子力學(xué)和廣義相對論的百年恩怨。

1687年，牛頓在總結(jié)第谷 ，開普勒，伽利略等前人對運(yùn)動物體的研究后，發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，并正式提出萬有引力定律。

在書中，牛頓說到：宇宙中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都以一種力吸引其他各個(gè)質(zhì)點(diǎn)。這種力與各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。

由此，經(jīng)典物理學(xué)的框架已經(jīng)打好，由于引力在宇宙中無處不在，它也是第一個(gè)被人類發(fā)現(xiàn)的基本作用力。

與引力同樣普遍的便是電磁力，但由于人類對電與磁現(xiàn)象內(nèi)在統(tǒng)一性的認(rèn)知相對較晚，電磁力直到1831年，才被法拉第發(fā)現(xiàn)，直到30多年后的麥克斯韋才完善了電磁力的框架。

至此，由牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)的大廈才算建成。前者描述引力，后者描述電磁力。

而經(jīng)典物理學(xué)的本質(zhì)則是機(jī)械決定論，我們只需知道宇宙中所有物體的初始速度和方向就能計(jì)算出宇宙在未來任何時(shí)刻的樣子，宇宙就如同機(jī)械式的發(fā)條，一切都是可精確預(yù)測和確定的。

經(jīng)典物理學(xué)之所以敢如此預(yù)測，是因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)相信 大到恒星，小到微觀粒子都是遵守這樣的規(guī)律。

后來的結(jié)果，想必大家也早已知曉，量子力學(xué)的出現(xiàn)直接否定經(jīng)典物理學(xué)的決定論。微觀粒子的運(yùn)動是無法精確預(yù)測的，一切只能用概率去描述。

后來量子力學(xué)發(fā)展出了量子電動力學(xué)，量子色動力學(xué)，這些理論也幫助我們在原子核中發(fā)現(xiàn)了弱力和強(qiáng)力。

在四大基本作用力中，量子力學(xué)已經(jīng)告訴我們，電磁力是通過交換光子實(shí)現(xiàn)的，弱力是通過交換w和z玻色子實(shí)現(xiàn)的，強(qiáng)力是通過交換膠子實(shí)現(xiàn)的。而唯獨(dú)引力貌似沒有通過任何傳播子的交換就像是與生俱來的一樣。

你或許會說，引力是特殊的，它只是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)，是不同于其他三種力的，引力無需傳播子。

當(dāng)然，這樣的說法也有道理，但是這樣也會帶了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，那就是無法用引力解釋量子力學(xué)的很多現(xiàn)象，比如無法解釋粒子波動時(shí)的引力效應(yīng)。

既然引力無處不在，任何具有非零質(zhì)量的粒子都會具有引力作用，而在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，粒子的引力效應(yīng)去哪了？

如今量子力學(xué)已經(jīng)明確認(rèn)定微觀粒子的本質(zhì)就是波，描述粒子波動性的工具則是波函數(shù)。

在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，波函數(shù)可以預(yù)測在屏幕特定區(qū)域找到粒子的概率，在粒子抵達(dá)屏幕前，單個(gè)粒子由于處于波態(tài)，所以可以同時(shí)處在多個(gè)位置，直到抵達(dá)屏幕，這時(shí)候波態(tài)才演化到粒子態(tài)，在屏幕上出現(xiàn)點(diǎn)狀圖案。

在粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，我們忽略了一個(gè)極其重要的信息，粒子在抵達(dá)屏幕前的引力在哪，難道粒子的引力也和波一樣，同時(shí)處在多個(gè)空間位置上?

如果我們用干擾的方式，使其一個(gè)粒子喪失波動性，而表現(xiàn)出具體的粒子性，那這時(shí)候粒子就更像一個(gè)宏觀物體，由于它具有質(zhì)量，所以就會彎曲周圍的時(shí)空，而如果我們不去干擾粒子，粒子就處于疊加狀態(tài)，這時(shí)候引力造成的時(shí)空彎曲也是隨同粒子位置的疊加態(tài)一起疊加嗎？

而廣義相對論并沒有回答這一點(diǎn)。

我們只能確認(rèn)，粒子肯定是具有時(shí)空彎曲效應(yīng)的，但是具體如何影響時(shí)空，目前無法得知。

如今，廣義相對論在宏觀尺度上的表現(xiàn)十分完美，也就是說一旦物質(zhì)結(jié)構(gòu)在大分子水平以上，廣義相對論就可以輕松勝任了。

這里面就存在一個(gè)問題，首先我們可以肯定宏觀尺度的引力效應(yīng)是由微觀尺度的引力效應(yīng)累積而來的，但是微觀尺度的引力效應(yīng)到底如何發(fā)揮作用還是未知的盲區(qū)。

或許，廣義相對論的引力效應(yīng)剛好到達(dá)某一個(gè)臨界尺度就突然生效，也或許引力在量子尺度到宏觀尺度就和量子退相干一樣，慢慢過渡，直到完成轉(zhuǎn)換。然而，事實(shí)上是量子退相干是一種可以預(yù)測的過渡過程，可引力效應(yīng)從微觀到宏觀是難以預(yù)測的。

在這里，可能就有人說了，這又什么難的，引力效應(yīng)從宏觀到微觀的過渡過程，肯定是和量子退相干同步進(jìn)行的。因?yàn)榱孔油讼喔删褪俏⒂^粒子到宏觀物體的過程，引力效應(yīng)也就伴隨物體的尺度的增加而慢慢顯現(xiàn)的。

如果能想到這一層，說明你對量子力學(xué)已經(jīng)擁有了初步的認(rèn)識，引力效應(yīng)伴隨著量子退相干同步進(jìn)行的推理十分符合邏輯，物理學(xué)家也是這樣想到的，但是這樣的推理就勢必會陷入量子力學(xué)的“圈套”中，

既然廣義相對論的引力效應(yīng)可以伴隨著量子退相干同步開展，那么引力就得固定在量子力學(xué)的框架中，所以引力也必須用量子力學(xué)來描述 。

而在量子力學(xué)的框架中，任何力的傳遞都必須通過傳播子的交換來實(shí)現(xiàn)。

最前沿的量子理論即量子場論認(rèn)為，基本粒子即是場，比如夸克場，電子場，光子場，粒子只是場的激發(fā)，任何費(fèi)米子場之間的相互作用，也必須通過玻色子場作為媒介來實(shí)現(xiàn)。比如兩個(gè)夸克場通過與膠子場交互實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力的傳遞。

在量子場論中，引力則由引力場描述，引力場則會激發(fā)引力子。在量子場論中，不可能存在一種無法激發(fā)出粒子的場。即便是最新發(fā)現(xiàn)的希格斯場，也是會激發(fā)出希格斯粒子(上帝粒子)的。

所以，引力如果要服從量子力學(xué)的管教，那量子力學(xué)就得給引力安排一個(gè)傳播子，就以引力的名字命名，叫引力子。物體之間的引力正是通過引力子之間不斷交換而實(shí)現(xiàn)的。

但是擁護(hù)“引力并不是力”的一派人肯定就不干了，在這一派看來，愛神在廣相中明確說，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲,時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動。引力的傳播壓根不需要什么引力子。

因?yàn)橐Σ⒉皇橇Γ菚r(shí)空背景。宇宙中任何物質(zhì)都必須在時(shí)間和空間上開展，由時(shí)間和空間組成的時(shí)空就好像是一個(gè)畫布，畫布并不平整，而是彎彎曲曲的，電磁力，弱力，強(qiáng)力控制的物質(zhì)只是時(shí)空畫布的一幅畫，而畫布則是時(shí)空本身，畫布的彎曲才呈現(xiàn)出引力效果。所以畫布不同于畫布上的畫，畫布是背景，是特殊的，不需要所謂的引力子。

但是，這樣的解釋依舊沒有解決起初的問題，即便引力是畫布，那畫布為什么在量子尺度就無法描述了。或者說組成畫布的像素點(diǎn)在量子尺度以上，進(jìn)而才導(dǎo)致像素點(diǎn)以下的尺度不發(fā)生改變。

沿著引力像素點(diǎn)的思路，目前進(jìn)化成兩個(gè)理論，一個(gè)是弦理論，另一個(gè)則是圈量子引力理論。這兩個(gè)理論的共同點(diǎn)都認(rèn)為空間不可無限分割，空間的極限則是普朗克長度，弦理論采取的方式是將引力場分割成兩個(gè)向量，其中一個(gè)作為時(shí)空背景，另一個(gè)則是量子場，也就是希爾伯特空間的分量。這樣就給引力在量子尺度上預(yù)留了一種可以計(jì)算的可能性。

而圈量子引力的思路則是，在普朗克長度，所有的空間都是網(wǎng)格，網(wǎng)格上會產(chǎn)生閉旋，閉旋即是離散，這些閉旋就是引力場的量子激發(fā)，在低能近似的情況下，這些閉旋就作為引力子出現(xiàn)，承載引力的基本粒子。所以在圈量子引力理論中，引力子是存在的，但由于尺度接近普朗克長度，導(dǎo)致目前的實(shí)驗(yàn)壓根就無法直接觀測到引力子的存在。

事實(shí)上，不管是弦論還是圈量子引力理論，都是脫離實(shí)驗(yàn)的純理論推導(dǎo)。理論遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)，也導(dǎo)致引力子問題一直擱淺。

所以，引力子問題依舊是量子力學(xué)和廣義相對論的核心矛盾。正如費(fèi)曼經(jīng)常說的那句話一樣：“科學(xué)皆近似”。

廣義相對論剛出世的時(shí)候，通過日全食精確預(yù)測了光線經(jīng)過太陽時(shí)的彎曲程度，并且完美解決了水星進(jìn)動問題，隨后預(yù)言的引力波又在2015年被證實(shí)。這時(shí)候我們甚至不愿意相信科學(xué)只是近似理論。

科學(xué)只能無限接近真理，或許永遠(yuǎn)無法達(dá)到真理。本質(zhì)上來說，廣義相對論和牛頓力學(xué)是一樣的，只是局限性理論，并不是普適性理論。

在18世紀(jì)，人類甚至認(rèn)為牛頓力學(xué)就是真理，可以解釋宇宙中所有事物。

直到后來，我們才發(fā)現(xiàn)，速度一旦超過光速10%，牛頓力學(xué)就會失效，

在黑洞這樣的強(qiáng)引力場周圍，牛頓力學(xué)依舊失效，

而在微觀尺度，牛頓力學(xué)還是失效。

如今，牛頓力學(xué)解釋權(quán)已經(jīng)被下放到低速，宏觀，弱場的特定場景，恰好這樣的場景剛好符合地球上絕大部分運(yùn)動現(xiàn)象，所以牛頓力學(xué)依舊在人類社會中發(fā)揮著重大作用。

后來狹義相對論打破了牛頓力學(xué)的速度限制，將物理學(xué)的解釋權(quán)從低速現(xiàn)象拓展到了高速現(xiàn)象。

而廣義相對論則打破強(qiáng)引力場的解釋權(quán)，將物理學(xué)從只能解釋弱引力場帶到了強(qiáng)引力場。

然而，相對論只是解決了牛頓力學(xué)的高速和強(qiáng)場問題，但是在微觀尺度，相對論依舊無法解釋。

于此同時(shí)，在超宏觀尺度的宇宙加速膨脹引發(fā)的暗能量問題上，相對論也暫時(shí)無法解釋。

所以由牛頓力學(xué)遺留下的強(qiáng)場，高速，微觀的問題，相對論只解釋了前兩者，至于微觀問題，現(xiàn)在就由圈量子引力理論和弦理論來承擔(dān)。至于這些理論的發(fā)展前景，我們依舊沒有十足的信心。

即便量子引力理論獲得成功，那還有暗物質(zhì)和暗能量問題。或許科學(xué)不管如何發(fā)展，都只是近似理論。

最后，在物理學(xué)烏云系列的結(jié)尾，還是那句話，已知圈越大，未知圈就更大。