重力存在著問(wèn)題。這是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦 （Albert Einstein） 在100多年前發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

這也是一個(gè)我們可能即將解決的問(wèn)題，或者可能需要另一個(gè)世紀(jì)才能解開(kāi)。

問(wèn)題是，我們并不完全了解重力是如何運(yùn)作的。

“長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在用大錘來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，”悉尼大學(xué)的天體物理學(xué)家格林特.劉易斯( Geraint Lewis)教授說(shuō)。

“它就是拒絕屈服。”

我們知道引力的作用。它讓我們站穩(wěn)腳跟。它使地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。

多虧了愛(ài)因斯坦的引力理論，我們有足夠的知識(shí)來(lái)繪制環(huán)繞行星和碰撞星系的路徑。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦不僅提出了廣義相對(duì)論，他還是量子力學(xué)的創(chuàng)始人

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論自1915年發(fā)表以來(lái)一直無(wú)人能敵。“但有些地方相對(duì)論會(huì)崩潰，”劉易斯教授說(shuō)。

方程式不再給我們提供我們需要的答案。

因此，100多年來(lái)，物理學(xué)家一直在尋找一種新的理論來(lái)解釋愛(ài)因斯坦無(wú)法解釋的東西。

這既是推進(jìn)基礎(chǔ)物理學(xué)的嚴(yán)肅追求、又是對(duì)時(shí)空本質(zhì)的不那么嚴(yán)肅的賭注。

愛(ài)因斯坦的不完備引力理論

廣義相對(duì)論告訴我們，引力是時(shí)空的曲率。

大質(zhì)量天體，如太陽(yáng)，會(huì)扭曲它們周?chē)目臻g和時(shí)間。這會(huì)導(dǎo)致像地球這樣的物體在特定的軌道上移動(dòng)。

這與艾薩克·牛頓 （Isaac Newton） 的引力觀背道而馳，盡管他主導(dǎo)了物理學(xué)200年。

牛頓將引力視為一種獨(dú)立于空間和時(shí)間的力，而愛(ài)因斯坦則認(rèn)為引力是空間和時(shí)間的產(chǎn)物。

對(duì)于澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)作家和科學(xué)史學(xué)、數(shù)學(xué)家羅賓·阿里安羅德 （Robyn Arianrhod） 來(lái)說(shuō)，廣義相對(duì)論是“人類(lèi)思維最非凡的創(chuàng)造之一”。

該理論的預(yù)測(cè)不斷成真——即使愛(ài)因斯坦本人也懷疑它們會(huì)成真。

澳大利亞科學(xué)作家和科學(xué)史學(xué)、數(shù)學(xué)家羅賓·阿里安羅德

從1919年首次觀測(cè)到太陽(yáng)在日食期間彎曲的光，到2015年在時(shí)空結(jié)構(gòu)中檢測(cè)到被稱(chēng)為引力波的微小漣漪。

廣義相對(duì)論因其美麗和簡(jiǎn)單而受到贊譽(yù)。但即使是愛(ài)因斯坦也知道他的理論無(wú)法解釋一切。

這就是為什么他一直在尋找將所有內(nèi)容整合在一起的基本原則。

但無(wú)論愛(ài)因斯坦如何嘗試，他都找不到答案。

正如他在 1938年的一封信中寫(xiě)道：“我大多數(shù)聰明的孩子，在很小的時(shí)候，最終都落入了希望落空的墳?zāi)埂！?/p>

我們知道廣義相對(duì)論不完整有幾個(gè)原因。

在黑洞的中心，當(dāng)我們?cè)噲D理解宇宙的起源時(shí)，數(shù)學(xué)會(huì)變得不穩(wěn)定。它告訴我們的是，我們所知道的相對(duì)論在某個(gè)點(diǎn)上會(huì)崩潰。

任何將要取代它的東西都會(huì)產(chǎn)生作用。廣義相對(duì)論也在非常小的尺度上分解。

這就是量子理論發(fā)揮作用的地方——一套完全不同的規(guī)則，告訴我們亞原子粒子（如光子和電子）的行為方式。

但這意味著我們有兩套規(guī)則來(lái)解釋宇宙，遺憾的是它們從根本上是不相容的。

量子難題

理解廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的這一鴻溝的最簡(jiǎn)單方法是比較這兩種理論如何解釋世界。

廣義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)空是連續(xù)的，而量子理論認(rèn)為宇宙是構(gòu)成更大整體的離散部分。他們不可能都是真的。

重力必須屈服嗎？量子力學(xué)必須屈服嗎？他們必須在中間的某個(gè)地方碰撞嗎？

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為重力是問(wèn)題所在。

根據(jù)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，有四種基本力，每種力都由不同類(lèi)型的粒子攜帶。

對(duì)于電磁力，它是光子。對(duì)于強(qiáng)大的力（強(qiáng)力），它是膠子。玻色子攜帶的力（弱力）很弱。

那么，什么承載了引力呢？

到目前為止，我們還沒(méi)有找到使引力成為可能的離散部分，部分原因是它太弱了。重力甚至比弱力還要弱，因此非常難以試驗(yàn)。

盡管如此，還是有許多理論和許多熱情的擁護(hù)者。畢竟，那些脫穎而出的人的獎(jiǎng)賞回贈(zèng)是巨大的。

“找到 [答案] 的物理學(xué)家知道他們將前往瑞典領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)，”劉易斯教授幽默地表示。

“如果你破解了這個(gè)難題，那就是你要走的路。因?yàn)槟銜?huì)改變物理學(xué)。

澳大利亞國(guó)立大學(xué) （ANU） 的數(shù)學(xué)物理學(xué)家物理學(xué)家蘇珊·斯科特 （Susan Scott）教授也持同樣的看法：了解引力的真正本質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生“驚人的影響。它可以告訴我們自然法則從何而來(lái)，宇宙是建立在不確定性之上，還是建立在決定論之上。它還可能讓我們對(duì)黑洞有新的認(rèn)識(shí)，并揭開(kāi)作為宇宙起點(diǎn)的謎團(tuán)。

但這里涉及的不僅僅是諾貝爾獎(jiǎng)。

對(duì)于這方面名列前茅的理論家不僅可以預(yù)訂瑞典（諾貝爾獎(jiǎng)故鄉(xiāng)）之旅，還會(huì)發(fā)現(xiàn)自己擁有了一輩子的金色名片。

弦理論

弦理論可能是最令人生畏的概念之一。

但用最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，它所提出的只是粒子是由微小的、振動(dòng)的弦組成的。

“所以就像在音樂(lè)中一樣，琴弦的不同組合會(huì)產(chǎn)生不同的音符，微小的振動(dòng)琴弦會(huì)產(chǎn)生不同的粒子，”蘇珊·斯科特教授解釋道。

這將包括擬議的引力粒子——引力子。

弦理論不僅僅是量子引力理論。它也努力成為萬(wàn)物的理論。

使弦論起作用所需的維數(shù)因數(shù)學(xué)解釋而異。例如，M 理論需要11個(gè)維度。比愛(ài)因斯坦的時(shí)空理論多了七個(gè)。

超弦理論需要10個(gè)維度，而玻色子弦理論需要高達(dá)26個(gè)維度。到目前為止，還沒(méi)有一絲證據(jù)表明這些額外的維度存在。

環(huán)量子引力

環(huán)量子引力理論認(rèn)為時(shí)空不是連續(xù)的，而是由一個(gè)微小的交織環(huán)網(wǎng)絡(luò)組成的。

該理論的創(chuàng)始人之一、意大利物理學(xué)家卡洛·羅維利 （Carlo Rovelli） 表示，這個(gè)想法類(lèi)似于一件T恤：織物可能看起來(lái)是連續(xù)的，但如果你仔細(xì)觀察，你可以看到線(xiàn)。但這些線(xiàn)不在太空中，因?yàn)樗鼈儽旧砭褪翘铡?/p>

量子環(huán)理論與弦理論的不同之處在于，量子環(huán)理論不僅僅具有引力，還能實(shí)現(xiàn)量子環(huán)理論的量子

然而，就像目前所有的量子引力理論一樣，這很難測(cè)試。

環(huán)量子引力中的環(huán)會(huì)小得令人難以置信——大約 0.0000000000000000000000000000000000000016 米。

蘇珊·斯科特表示：這在地球上的任何粒子加速器中都是不可能的，因此，需要設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。

押注時(shí)空

這些理論已經(jīng)存在了幾十年，但仍然沒(méi)有得到檢驗(yàn)，這可能是一個(gè)不祥之兆——至少在倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）的物理學(xué)家喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）看來(lái)是這樣。

“它變得如此困難的原因可能是因?yàn)槲覀冏咤e(cuò)了方向，”奧本海姆教授說(shuō)。

“也許量化引力的想法是錯(cuò)誤的方法。”

奧本海姆教授正在研究一個(gè)有爭(zhēng)議的混合理論，該理論不量化引力，并且還修改了愛(ài)因斯坦的一些方程。

“然而，他自己也承認(rèn)大概99%的同行都不會(huì)認(rèn)同他的理論，他們大多數(shù)人認(rèn)為我們應(yīng)該量化引力。Carlo Rovelli 就是其中之一。

當(dāng)他在 2020 年的一次會(huì)議上聽(tīng)到奧本海姆教授的演講時(shí)，他非常不贊同，他甚至同意打賭誰(shuí)的理論會(huì)勝出。

他們確定了1 比 5,000 的賠率，這意味著如果 Rovelli 教授贏了，他會(huì)得到一件物品，但如果奧本海姆教授贏了，他會(huì)得到 5,000。

然而，這個(gè)賭注的重點(diǎn)并不是要獲得最終的獲利品。而是為了確定科學(xué)家需要什么的發(fā)現(xiàn)才能改變他們的想法。

繼續(xù)尋找證據(jù)

物理學(xué)家試圖證明引力是一種量子現(xiàn)象的方法之一是在行為中捕捉它。

我們知道量子行為是什么樣的。一個(gè)例子是糾纏，其中兩個(gè)粒子相互作用，然后在很遠(yuǎn)的距離上保持連接。

如果這些粒子糾纏在一起，只在引力作用下發(fā)生過(guò)，那就意味著引力是一種量子現(xiàn)象。

奧本海姆教授說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室中的新興技術(shù)為該領(lǐng)域帶來(lái)了新的希望。

“人們一直認(rèn)為，我們必須達(dá)到極高的能量才能測(cè)試量子引力，”他說(shuō)。“就像我們幾乎必須找到黑洞一樣。我們最近了解到的情況并非如此。我們可以進(jìn)行低能量實(shí)驗(yàn)。”

今年早些時(shí)候，南安普敦大學(xué)（University of Southampton）的科學(xué)家們用磁鐵來(lái)探測(cè)粒子上的引力。

在澳大利亞，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家們提出了使用敏感激光器的量子引力實(shí)驗(yàn)。

澳大利亞首位當(dāng)選全球頂級(jí)物理學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)的著名科學(xué)家蘇珊·斯科特

蘇珊·斯科特教授表示，這些桌面技術(shù)讓我們有更多機(jī)會(huì)來(lái)揭開(kāi)地心引力的秘密。

“這可能是自愛(ài)因斯坦在 1915 年提出他的理論以來(lái)，參與引力研究最激動(dòng)人心的時(shí)刻。”

不過(guò)，沒(méi)有一個(gè)保證的時(shí)間表。答案已經(jīng)暗示了我們100年，并且可能再暗示我們100年。