引力是宇宙中最奇怪的产物之一，破解引力之谜将打破对时空的认知

物理学家追踪了自然界四种力中的三种——电磁力、强核力和弱核力——它们起源于量子粒子（光子是电磁力的载体、胶子是强核力的载体、W和Z玻色子是弱核力的载体）。但是第四种基本力——引力，则是不同的。

我们目前对引力的理解框架，是一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦提出，他告诉我们苹果会从树上掉下来，行星绕着恒星运行，因为它们在时空连续体中沿着曲线运动。

但在黑洞中心附近或宇宙形成初期，爱因斯坦的方程式就失效了。物理学家需要更真实的引力图像来精确地描述这些极端情况。这个更真实的理论必须做出与爱因斯坦的方程式在其他地方做出的相同的预测。

物理学家认为，在这个更真实的理论中，引力必须有量子形式，就像其他自然力一样。自20世纪30年代以来，研究人员一直在寻求引力的量子理论。他们已经发现了一些可能的想法——尤其是弦理论，它认为引力和所有其他现象都是由微小的振动弦产生的——但到目前为止，这些可能性还只是推测，还没有完全被理解。一个可行的引力量子理论也许是当今物理学的最高目标。

是什么让引力独一无二？阻止研究人员发现其潜在量子描述的第四种力有什么不同？

引力奇点

伦敦帝国理工学院的理论物理学家克劳迪娅·德·勒姆一直致力于大质量引力理论的研究，该理论认为，引力的量子化单位是大质量粒子：

爱因斯坦的广义相对论正确地描述了近30个数量级上的引力行为，从亚毫米尺度一直到宇宙距离。没有哪一种自然力能被描述得如此精确，如此多样。有了与实验和观测完美一致的水平，广义相对论似乎可以提供引力的最终描述。

广义相对论预测了黑洞和宇宙起源的大爆炸。然而，这些地方的“奇点”的时空曲率似乎变得无限，标志着广义相对论的瓦解。当一个人接近黑洞中心的奇点或大爆炸奇点时，从广义相对论推断出的预测就不再提供正确的答案。取而代之的应该是对空间和时间更基本、更深层的描述。如果我们能揭开物理学的这个新层面，我们或许就能对时空本身有一个新的认识。

如果引力是任何其他的自然力，我们可以希望通过实验来更深入地探索它，能够达到更大的能量和更小的距离。但引力不是普通的力。试着推动它在某个时间点之后揭开它的秘密，实验设备本身就会坍缩成一个黑洞。

引力导致黑洞

麻省理工学院的量子引力理论学家丹尼尔·哈洛因将量子信息理论应用于引力和黑洞研究而闻名：

黑洞是引力和量子力学很难结合的原因。黑洞只能是万有引力的结果，因为万有引力是所有物质都能感受到的唯一力。如果有任何一种粒子感觉不到引力，我们可以用这种粒子从黑洞内部发出信息，这样它就不是黑色的了。

所有物质都能感受到引力，这一事实给可能进行的实验带来了限制：无论你建造什么设备，无论它是由什么材料制成的，它都不能太重，否则它必然会因引力而坍缩成黑洞。这个限制条件在日常情况中并不适用，但如果你试图构建一个实验来测量引力的量子力学特性，它就变得至关重要。

我们对其他自然力的理解是建立在局部性原则之上的，即描述空间中每一点上发生的事情的变量——比如那里的电场强度——都可以独立地改变。此外，我们称之为“自由度”的这些变量只能直接影响它们的“近邻”。局部性对于我们目前描述粒子及其相互作用的方式很重要，因为它保留了因果关系：如果北京的自由度依赖于上海的自由度，我们或许可以利用这种依赖来实现两个城市之间的即时通讯，甚至将信息及时向后发送，从而可能违反因果关系。

局部性假设已经在普通情况下得到了很好的验证，并且它可能会很自然地延伸到与量子引力相关的非常短的距离（这些距离之所以很小，是因为引力比其他力要弱得多）。为了证实局部性在这些距离尺度上仍然存在，我们需要建造一个能够测试由如此微小的距离所分离的自由度的独立性的仪器。不过，一个简单的计算表明，如果一台设备的重量足以避免其位置的量子涨落（这会破坏实验），那么它的重量也必然足以坍塌成黑洞！因此，在这个尺度上进行确定局部性的实验是不可能的。因此量子引力不需要在这样的尺度上考虑局部性。

事实上，到目前为止，我们对黑洞的理解表明，任何量子引力理论的自由度都应该大大少于我们根据对其他力的经验所预期的自由度。这个想法被编入“全息原理”，粗略地说，空间区域的自由度与表面积成正比，而不是与体积成正比。

万有引力从无到有

胡安·马尔达西纳是新泽西州普林斯顿高等研究院的量子引力理论学家，他因发现引力和量子力学之间的类似全息图的关系而闻名。粒子可以显示出许多有趣和令人惊讶的现象。我们可以有自发的粒子产生，距离很远的粒子状态之间的纠缠，以及多个位置的粒子叠加。

在量子引力中，时空本身以新颖的方式运行。纠缠被认为是在时空的遥远区域之间建立联系。此外，从粒子物理学的角度来看，空间的真空是一个复杂的物体。我们可以想象许多被称为场的实体相互叠加并在整个空间中扩展。每个场的值在短距离上不断波动。通过这些波动场和它们的相互作用，就产生了真空状态。粒子在这种真空状态下受到干扰。我们可以把它们想象成真空结构中的小缺陷。

当我们考虑到引力时，我们发现宇宙的膨胀似乎会无中生有地产生更多这种真空物质。当时空被创造出来时，它恰好处于真空的状态，没有任何缺陷。真空如何精确地以正确的排列出现是我们需要回答的主要问题之一，以获得对黑洞和宇宙学一致的量子描述。在这两种情况下，都存在一种时空拉伸，导致产生更多的真空物质。

引力是无法计算的

色拉尔·克雷莫尼尼是利哈伊大学的理论物理学家，研究弦理论、量子引力和宇宙学。

有很多原因可以解释引力的特殊。让我专注于一个方面，即爱因斯坦广义相对论的量子版本是“不可重整的”。“这暗示了高能量下引力的行为。

在量子理论中，当你试图计算高能粒子如何相互散射和相互作用时，就会出现无限项。在可重整的理论中——包括描述除万有引力之外的所有自然力的理论——我们可以通过适当地添加其他有效地抵消它们的量，即所谓的反项，以严格的方式消除这些无限大。在非常高的精确度上，这个重整化过程导致与实验一致的物理敏感的答案。

广义相对论的量子版本的问题是，描述高能引力子（引力的量子化单位）相互作用的计算将有无穷多个无穷项。在一个无穷无尽的过程中，你需要添加无穷多个反项。重整化会失败。正因为如此，爱因斯坦广义相对论的量子版本并不能很好地描述高能量下的引力。它一定缺少了引力的一些关键特征和成分。

然而，我们仍然可以使用适用于自然界中其他相互作用的标准量子技术，对低能量下的引力有一个完美的近似描述。关键的一点是，这种对引力的近似描述将在某种能量尺度下失效。

在这个能量尺度之上，我们期望找到新的自由度和新的对称性。为了准确地捕捉这些特征，我们需要一个新的理论框架。这正是弦理论的切入点，根据弦理论，在非常短的距离，我们会看到引力子和其他粒子是延伸的物体，称为弦。研究这种可能性可以给我们关于引力的量子行为上宝贵的一课。