请想象我们正身处空荡荡的太空，其中零星漂浮着一些星球。而之所以没有成为陨石去流浪，是因为引力把我们固定在地球上。引力也是人类认识到的第一种基本作用力，却到现在也没真正搞明白引力是什么。物理学家可以精确地描绘炮弹的轨迹，预测恒星或行星的轨道，却依然弄不懂引力是怎么与最小的粒子或量子发生作用的。为了明确这个问题，关于“

量子引力”物理学家进行了近一个世纪的探索，只求达到“简单”的期望：找到一条简单而统一的规则，描述引力是如何同时掌控着极大的星系与极小的夸克，还有这二者之间的一切。

广义相对论走在悬崖边缘

想不到如今物理学最棘手的问题，是去调解上个世纪最伟大的两座成就——广义相对论与量子理论之间的矛盾。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论曾取代了艾萨克·牛顿的经典引力概念，牛顿认为引力是两个物体间的相互吸引；而爱因斯坦则认为引力的本质是质量或能量弯曲了附近的时空，因而其他质量或能量就会跟随弯曲的路径行进，表现得像二者互相吸引一样。在爱因斯坦的广义相对论方程中，引力这个量其实就是空间本身，他的理论建立在平滑、连续的经典宇宙之上，因此无论你怎么放大局部的宇宙，都能看到更小的区域，理论也都不会失效。（参考：为什么太阳会拉住地球？广义相对论说，引力原来是一种错觉）

但量子理论告诉我们，宇宙并不是连续的，它由小单元组成。难道是相对论存在错误吗？

质疑是必要的，不过还得拿出有说服力的证据才行。毕竟广义相对论已多次通过了“考核”，即使是爱因斯坦时代都没能想到的测验，相对论依然精准无误地通过了。

除了黑洞、中子星，或者地球附近的时间膨胀等现象外，广义相对论还预言了天体光谱受引力产生

红移和蓝移。光谱变化的原因是因为引力可以扭曲光线，从引力场中逃逸（远离黑洞）时恒星光谱发生红移，波长变长；接近引力场时恒星的光谱则发生蓝移，波长变短。这个现象类似救护车驶进我们跟驶离我们过程中，警报声会发生变化的现象类似（这个是多普勒效应）。

1995–2017年间共16年间，加州大学洛杉矶分校的研究者们，对银河核心的超大质量黑洞“射手座A *”（缩写为Sgr A *）与其附近的一颗恒星“S0-2”进行了持续观测。他们使用位于夏威夷的凯克天文台、双子座天文台与斯巴鲁望远镜，成功地追踪了S0-2的完整3D轨道。结合了前人24年的观测数据，这些天文学家发现S0-2的在超大黑洞附近移动造成的光谱变化，与广义相对论一致。

要知道早在广义相对论发表后的一个月后，就由德国天文学家卡尔·史瓦西通过方程的一个精确解而提出“黑洞”猜想。而后的几十年间，“黑洞”一直作为理论存在。直到2015年9月，LIGO引力波天文台才观测到“黑洞”存在的间接证据。2019年4月，就是今年上半年，才由“事件视界望远镜”项目的科学家发表了M87星系中心黑洞的直接观察影像。一百年前的理论完美解释一百年后的实验观测结果，可见广义相对论的超前预见性。

被孤立的引力

尽管如此，大部分物理学家仍对广义相对论持悲观态度，认为它迟早会崩溃，原因是真实的宇宙并不是光滑、连续的，而是粗糙、离散的。巨大的星球天体，终归是由一个个的原子（或者说电子和夸克）组成。这些粒子通过交换另一类粒子而产生排斥力和吸引力的效果，从而彼此分离或聚集。

与此同时，“标准模型”近乎完美地描述了这些最小的物质粒子，以及能量和物质之间的相互作用。该理论包含24种费米子与5种玻色子，其中费米子分为夸克（反夸克）和轻子（反轻子），由它们组成物质；玻色子则产生物质间的相互作用（三大基本力）。比如电磁力，根据量子理论是由物质粒子间交换称为“虚光子”的粒子所产生的。我们把冰箱贴贴在冰箱上，可以描述为平滑的经典磁场的作用，但这磁场的精细结构却是由粒子来产生的。但标准模型理论并不完整，它还不能解释

引力、暗物质与暗能量。数数宇宙的四大基本力（引力、电磁力、强力和弱力），作为“小一统”理论的标准模型唯独没能给出引力的量子描述。

尽管还存在很多未证实的引力理论，但目前为止没人知道引力场从何而来，也不知道是由什么粒子在里面起作用。

前面提到，相对论认为把我们固定在地面上的力量，来自于扭曲的空间本身。而在量子理论中，空间往往被当作一块平直的幕布，用来衡量粒子运动的速度和距离。为什么忽略了空间的扭曲呢？因为在粒子的尺度下，引力的影响真的是小得可怜，普遍认为强相互作用力是引力的1E39倍，电磁力是引力的1E37倍。举个不太恰当的例子，开兰博基尼、戴百达翡丽的小伙，吃煎饼果子不会介意多加个鸡蛋的钱。微观粒子也几乎不计较引力作用。当引力太弱，可以认为时空是平直的，要大到天体的程度，时空扭曲才足够明显。对粒子而言，即使物理学家想计算那微弱的扭曲，数学上又存在问题，无法给出有意义的结果。

没法计算曲率可能造成严重问题，一般情况引力可以忽略，但在大质量或能量的周围（如黑洞）的情况，空间会变得非常扭曲，引力对粒子的影响将不可忽略，遗憾的是我们并不知道合适的数学方法去计算。

新的引力解释

“圈量子引力”理论，为了使空间（引力）与微观粒子结合起来，将时空打碎成一个个不可再分的小碎片，让碎片构成了时空最基本的形貌。这个理论定义了宇宙最小的长度和最短的时间，也产生了一个证明实验。圈量子引力理论，预言不同波长的光的速度或有极小的差异，遗憾的时并未观察到这种差异，不过该理论仍在继续发展和完善。

“弦理论”是另一种普适模型，它采取类似纤维一样的“弦”替代标准模型中的5种玻色子，来进行物质间的交换，实现相互作用力。用“弦”而不是“点”来描述基本机构，使该理论获得了实质可用的数学模型。这份改变看上去简单，却能产生很多改变，其中一个好处是“有关引力的计算不会只产生无意义的解”。此外，弦理论的研究者谈到一个观点，“即使爱因斯坦或同时代的人从未发现广义相对论，后人也会从弦理论的研究中发现它，这非常神奇”。弦理论学家几十年来已经富有成效地进行框架的构建，近期也发现了进一步发展的方向。

对空间的固有概念可能束缚了我们对宇宙基本结构的认知。“旁观者清，局内者迷”，正因为我们生活在空间中，并以有限的感官能力形成了固有认识，可能很难认识一些事物的本质。比如我们一度认为“热”像一股流体，从温暖的房间流入寒冷的房间，但直到发现了分子，才明白“热”其实是空气分子在我们身上撞击的动能转化所呈现的宏观现象。所以我们也可以猜想空间（引力）也可能是某种微观实质的宏观表现，弦理论或许能揭示空间中的每一点到底发生了什么。

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这些物理前沿理论比课本上可要新奇得多，其实一定程度上也反映了物理界的无奈。物理学家继续在各自的理论中解决实质性的数学问题，仿佛忘记了物理毕竟不是哲学，而是一门实验科学，但他们也有苦难言。

几千年来，物理理论的创立无不是建立在大量的实验基础上，阿基米德、伽利略、牛顿、法拉第、卢瑟福等先贤都是如此。但从上个世纪开始，物理理论的发展就远远超过实验物理的步伐。开创理论需要若干颗天才的大脑的冥思苦想；而要验证这些理论就更难了，可能穷尽了地球的资源也不够用，这就导致“巧妇难为无米之炊”的理论学家只得拥抱数学，仿佛整日在虚幻中搞研究一样。但愿天体物理的观测、太空探测器和粒子加速器能够早日为“万有理论”的选择提供强有力的数据支持，使物理学的发展走上正反馈的道路。