量子力学和相对论的核心矛盾，为什么难以统一？

引力子在哪？或者说 引力压根就不存在引力子

在物理学在统一的道路上，面临最重要的一个问题就是引力子问题，如果不存在引力子，那是否可以说明引力就不是力。

引力子也是量子力学和广义相对论的核心矛盾。

本期内容将为你揭开量子力学和广义相对论的百年恩怨。

1687年，牛顿在总结第谷 ，开普勒，伽利略等前人对运动物体的研究后，发表了《自然哲学的数学原理》，并正式提出万有引力定律。

在书中，牛顿说到：宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。

由此，经典物理学的框架已经打好，由于引力在宇宙中无处不在，它也是第一个被人类发现的基本作用力。

与引力同样普遍的便是电磁力，但由于人类对电与磁现象内在统一性的认知相对较晚，电磁力直到1831年，才被法拉第发现，直到30多年后的麦克斯韦才完善了电磁力的框架。

至此，由牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为基础的经典物理学的大厦才算建成。前者描述引力，后者描述电磁力。

而经典物理学的本质则是机械决定论，我们只需知道宇宙中所有物体的初始速度和方向就能计算出宇宙在未来任何时刻的样子，宇宙就如同机械式的发条，一切都是可精确预测和确定的。

经典物理学之所以敢如此预测，是因为经典物理学相信 大到恒星，小到微观粒子都是遵守这样的规律。

后来的结果，想必大家也早已知晓，量子力学的出现直接否定经典物理学的决定论。微观粒子的运动是无法精确预测的，一切只能用概率去描述。

后来量子力学发展出了量子电动力学，量子色动力学，这些理论也帮助我们在原子核中发现了弱力和强力。

在四大基本作用力中，量子力学已经告诉我们，电磁力是通过交换光子实现的，弱力是通过交换w和z玻色子实现的，强力是通过交换胶子实现的。而唯独引力貌似没有通过任何传播子的交换就像是与生俱来的一样。

你或许会说，引力是特殊的，它只是时空弯曲的表现，是不同于其他三种力的，引力无需传播子。

当然，这样的说法也有道理，但是这样也会带了一个风险，那就是无法用引力解释量子力学的很多现象，比如无法解释粒子波动时的引力效应。

既然引力无处不在，任何具有非零质量的粒子都会具有引力作用，而在双缝干涉实验中，粒子的引力效应去哪了？

如今量子力学已经明确认定微观粒子的本质就是波，描述粒子波动性的工具则是波函数。

在双缝干涉实验中，波函数可以预测在屏幕特定区域找到粒子的概率，在粒子抵达屏幕前，单个粒子由于处于波态，所以可以同时处在多个位置，直到抵达屏幕，这时候波态才演化到粒子态，在屏幕上出现点状图案。

在粒子的双缝干涉实验中，我们忽略了一个极其重要的信息，粒子在抵达屏幕前的引力在哪，难道粒子的引力也和波一样，同时处在多个空间位置上?

如果我们用干扰的方式，使其一个粒子丧失波动性，而表现出具体的粒子性，那这时候粒子就更像一个宏观物体，由于它具有质量，所以就会弯曲周围的时空，而如果我们不去干扰粒子，粒子就处于叠加状态，这时候引力造成的时空弯曲也是随同粒子位置的叠加态一起叠加吗？

而广义相对论并没有回答这一点。

我们只能确认，粒子肯定是具有时空弯曲效应的，但是具体如何影响时空，目前无法得知。

如今，广义相对论在宏观尺度上的表现十分完美，也就是说一旦物质结构在大分子水平以上，广义相对论就可以轻松胜任了。

这里面就存在一个问题，首先我们可以肯定宏观尺度的引力效应是由微观尺度的引力效应累积而来的，但是微观尺度的引力效应到底如何发挥作用还是未知的盲区。

或许，广义相对论的引力效应刚好到达某一个临界尺度就突然生效，也或许引力在量子尺度到宏观尺度就和量子退相干一样，慢慢过渡，直到完成转换。然而，事实上是量子退相干是一种可以预测的过渡过程，可引力效应从微观到宏观是难以预测的。

在这里，可能就有人说了，这又什么难的，引力效应从宏观到微观的过渡过程，肯定是和量子退相干同步进行的。因为量子退相干就是微观粒子到宏观物体的过程，引力效应也就伴随物体的尺度的增加而慢慢显现的。

如果能想到这一层，说明你对量子力学已经拥有了初步的认识，引力效应伴随着量子退相干同步进行的推理十分符合逻辑，物理学家也是这样想到的，但是这样的推理就势必会陷入量子力学的“圈套”中，

既然广义相对论的引力效应可以伴随着量子退相干同步开展，那么引力就得固定在量子力学的框架中，所以引力也必须用量子力学来描述 。

而在量子力学的框架中，任何力的传递都必须通过传播子的交换来实现。

最前沿的量子理论即量子场论认为，基本粒子即是场，比如夸克场，电子场，光子场，粒子只是场的激发，任何费米子场之间的相互作用，也必须通过玻色子场作为媒介来实现。比如两个夸克场通过与胶子场交互实现强力的传递。

在量子场论中，引力则由引力场描述，引力场则会激发引力子。在量子场论中，不可能存在一种无法激发出粒子的场。即便是最新发现的希格斯场，也是会激发出希格斯粒子(上帝粒子)的。

所以，引力如果要服从量子力学的管教，那量子力学就得给引力安排一个传播子，就以引力的名字命名，叫引力子。物体之间的引力正是通过引力子之间不断交换而实现的。

但是拥护“引力并不是力”的一派人肯定就不干了，在这一派看来，爱神在广相中明确说，物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。引力的传播压根不需要什么引力子。

因为引力并不是力，而是时空背景。宇宙中任何物质都必须在时间和空间上开展，由时间和空间组成的时空就好像是一个画布，画布并不平整，而是弯弯曲曲的，电磁力，弱力，强力控制的物质只是时空画布的一幅画，而画布则是时空本身，画布的弯曲才呈现出引力效果。所以画布不同于画布上的画，画布是背景，是特殊的，不需要所谓的引力子。

但是，这样的解释依旧没有解决起初的问题，即便引力是画布，那画布为什么在量子尺度就无法描述了。或者说组成画布的像素点在量子尺度以上，进而才导致像素点以下的尺度不发生改变。

沿着引力像素点的思路，目前进化成两个理论，一个是弦理论，另一个则是圈量子引力理论。这两个理论的共同点都认为空间不可无限分割，空间的极限则是普朗克长度，弦理论采取的方式是将引力场分割成两个向量，其中一个作为时空背景，另一个则是量子场，也就是希尔伯特空间的分量。这样就给引力在量子尺度上预留了一种可以计算的可能性。

而圈量子引力的思路则是，在普朗克长度，所有的空间都是网格，网格上会产生闭旋，闭旋即是离散，这些闭旋就是引力场的量子激发，在低能近似的情况下，这些闭旋就作为引力子出现，承载引力的基本粒子。所以在圈量子引力理论中，引力子是存在的，但由于尺度接近普朗克长度，导致目前的实验压根就无法直接观测到引力子的存在。

事实上，不管是弦论还是圈量子引力理论，都是脱离实验的纯理论推导。理论远超实验，也导致引力子问题一直搁浅。

所以，引力子问题依旧是量子力学和广义相对论的核心矛盾。正如费曼经常说的那句话一样：“科学皆近似”。

广义相对论刚出世的时候，通过日全食精确预测了光线经过太阳时的弯曲程度，并且完美解决了水星进动问题，随后预言的引力波又在2015年被证实。这时候我们甚至不愿意相信科学只是近似理论。

科学只能无限接近真理，或许永远无法达到真理。本质上来说，广义相对论和牛顿力学是一样的，只是局限性理论，并不是普适性理论。

在18世纪，人类甚至认为牛顿力学就是真理，可以解释宇宙中所有事物。

直到后来，我们才发现，速度一旦超过光速10%，牛顿力学就会失效，

在黑洞这样的强引力场周围，牛顿力学依旧失效，

而在微观尺度，牛顿力学还是失效。

如今，牛顿力学解释权已经被下放到低速，宏观，弱场的特定场景，恰好这样的场景刚好符合地球上绝大部分运动现象，所以牛顿力学依旧在人类社会中发挥着重大作用。

后来狭义相对论打破了牛顿力学的速度限制，将物理学的解释权从低速现象拓展到了高速现象。

而广义相对论则打破强引力场的解释权，将物理学从只能解释弱引力场带到了强引力场。

然而，相对论只是解决了牛顿力学的高速和强场问题，但是在微观尺度，相对论依旧无法解释。

于此同时，在超宏观尺度的宇宙加速膨胀引发的暗能量问题上，相对论也暂时无法解释。

所以由牛顿力学遗留下的强场，高速，微观的问题，相对论只解释了前两者，至于微观问题，现在就由圈量子引力理论和弦理论来承担。至于这些理论的发展前景，我们依旧没有十足的信心。

即便量子引力理论获得成功，那还有暗物质和暗能量问题。或许科学不管如何发展，都只是近似理论。

最后，在物理学乌云系列的结尾，还是那句话，已知圈越大，未知圈就更大。