量子力學和相對論的核心矛盾，為什么難以統一？

引力子在哪？或者說 引力壓根就不存在引力子

在物理學在統一的道路上，面臨最重要的一個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和廣義相對論的核心矛盾。

本期內容將為你揭開量子力學和廣義相對論的百年恩怨。

1687年，牛頓在總結第谷 ，開普勒，伽利略等前人對運動物體的研究后，發表了《自然哲學的數學原理》，并正式提出萬有引力定律。

在書中，牛頓說到：宇宙中每個質點都以一種力吸引其他各個質點。這種力與各質點的質量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。

由此，經典物理學的框架已經打好，由于引力在宇宙中無處不在，它也是第一個被人類發現的基本作用力。

與引力同樣普遍的便是電磁力，但由于人類對電與磁現象內在統一性的認知相對較晚，電磁力直到1831年，才被法拉第發現，直到30多年后的麥克斯韋才完善了電磁力的框架。

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

而經典物理學的本質則是機械決定論，我們只需知道宇宙中所有物體的初始速度和方向就能計算出宇宙在未來任何時刻的樣子，宇宙就如同機械式的發條，一切都是可精確預測和確定的。

經典物理學之所以敢如此預測，是因為經典物理學相信 大到恒星，小到微觀粒子都是遵守這樣的規律。

后來的結果，想必大家也早已知曉，量子力學的出現直接否定經典物理學的決定論。微觀粒子的運動是無法精確預測的，一切只能用概率去描述。

后來量子力學發展出了量子電動力學，量子色動力學，這些理論也幫助我們在原子核中發現了弱力和強力。

在四大基本作用力中，量子力學已經告訴我們，電磁力是通過交換光子實現的，弱力是通過交換w和z玻色子實現的，強力是通過交換膠子實現的。而唯獨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，它只是時空彎曲的表現，是不同于其他三種力的，引力無需傳播子。

當然，這樣的說法也有道理，但是這樣也會帶了一個風險，那就是無法用引力解釋量子力學的很多現象，比如無法解釋粒子波動時的引力效應。

既然引力無處不在，任何具有非零質量的粒子都會具有引力作用，而在雙縫干涉實驗中，粒子的引力效應去哪了？

如今量子力學已經明確認定微觀粒子的本質就是波，描述粒子波動性的工具則是波函數。

在雙縫干涉實驗中，波函數可以預測在屏幕特定區域找到粒子的概率，在粒子抵達屏幕前，單個粒子由于處于波態，所以可以同時處在多個位置，直到抵達屏幕，這時候波態才演化到粒子態，在屏幕上出現點狀圖案。

在粒子的雙縫干涉實驗中，我們忽略了一個極其重要的信息，粒子在抵達屏幕前的引力在哪，難道粒子的引力也和波一樣，同時處在多個空間位置上?

如果我們用干擾的方式，使其一個粒子喪失波動性，而表現出具體的粒子性，那這時候粒子就更像一個宏觀物體，由于它具有質量，所以就會彎曲周圍的時空，而如果我們不去干擾粒子，粒子就處于疊加狀態，這時候引力造成的時空彎曲也是隨同粒子位置的疊加態一起疊加嗎？

而廣義相對論并沒有回答這一點。

我們只能確認，粒子肯定是具有時空彎曲效應的，但是具體如何影響時空，目前無法得知。

如今，廣義相對論在宏觀尺度上的表現十分完美，也就是說一旦物質結構在大分子水平以上，廣義相對論就可以輕松勝任了。

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

或許，廣義相對論的引力效應剛好到達某一個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，直到完成轉換。然而，事實上是量子退相干是一種可以預測的過渡過程，可引力效應從微觀到宏觀是難以預測的。

在這里，可能就有人說了，這又什么難的，引力效應從宏觀到微觀的過渡過程，肯定是和量子退相干同步進行的。因為量子退相干就是微觀粒子到宏觀物體的過程，引力效應也就伴隨物體的尺度的增加而慢慢顯現的。

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

既然廣義相對論的引力效應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的框架中，所以引力也必須用量子力學來描述 。

而在量子力學的框架中，任何力的傳遞都必須通過傳播子的交換來實現。

最前沿的量子理論即量子場論認為，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，任何費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現。比如兩個夸克場通過與膠子場交互實現強力的傳遞。

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

所以，引力如果要服從量子力學的管教，那量子力學就得給引力安排一個傳播子，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現的。

但是擁護“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，物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。引力的傳播壓根不需要什么引力子。

因為引力并不是力，而是時空背景。宇宙中任何物質都必須在時間和空間上開展，由時間和空間組成的時空就好像是一個畫布，畫布并不平整，而是彎彎曲曲的，電磁力，弱力，強力控制的物質只是時空畫布的一幅畫，而畫布則是時空本身，畫布的彎曲才呈現出引力效果。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在量子尺度以上，進而才導致像素點以下的尺度不發生改變。

沿著引力像素點的思路，目前進化成兩個理論，一個是弦理論，另一個則是圈量子引力理論。這兩個理論的共同點都認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向量，其中一個作為時空背景，另一個則是量子場，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留了一種可以計算的可能性。

而圈量子引力的思路則是，在普朗克長度，所有的空間都是網格，網格上會產生閉旋，閉旋即是離散，這些閉旋就是引力場的量子激發，在低能近似的情況下，這些閉旋就作為引力子出現，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，導致目前的實驗壓根就無法直接觀測到引力子的存在。

事實上，不管是弦論還是圈量子引力理論，都是脫離實驗的純理論推導。理論遠超實驗，也導致引力子問題一直擱淺。

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

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

科學只能無限接近真理，或許永遠無法達到真理。本質上來說，廣義相對論和牛頓力學是一樣的，只是局限性理論，并不是普適性理論。

在18世紀，人類甚至認為牛頓力學就是真理，可以解釋宇宙中所有事物。

直到后來，我們才發現，速度一旦超過光速10%，牛頓力學就會失效，

在黑洞這樣的強引力場周圍，牛頓力學依舊失效，

而在微觀尺度，牛頓力學還是失效。

如今，牛頓力學解釋權已經被下放到低速，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動現象，所以牛頓力學依舊在人類社會中發揮著重大作用。

后來狹義相對論打破了牛頓力學的速度限制，將物理學的解釋權從低速現象拓展到了高速現象。

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

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

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

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

即便量子引力理論獲得成功，那還有暗物質和暗能量問題。或許科學不管如何發展，都只是近似理論。

最后，在物理學烏云系列的結尾，還是那句話，已知圈越大，未知圈就更大。