什麼是量子引力理論？
量子力學和廣義相對論是物理學中兩個偉大的理論，但一個基本的概念是：這兩個理論之間是不兼容的，事實上它們分別針對於世界上兩種不同的成分：時空和物質。量子引力理論是一種結合了量子力學和廣義相對論的假想理論，它可以解答一些我們關於物理世界的深刻提問，稱它為物理界的聖盃實至名歸。
為什麼我們需要量子引力理論？
量子力學中物質和場處於一個預設的時空，在這個時空裡，時空本身對場不產生物理作用，只用來描述它們在時間空間中所處的座標，這是一種背景依賴理論。廣義相對論是隻關乎時空的理論，並不涉及到對物質本身的討論，它描述了物質如何影響時空的幾何，時空如何影響物質的運動，但這些討論都在純粹的經典理論模型下。最重要的是，廣義相對論不需要預設時空的存在，因而是一種背景獨立理論。量子引力理論是一種解釋範圍更廣泛的背景獨立理論，可以用來解釋物質的量子特性和普朗克尺度（最小的空間單元為10^-33cm，最小的時間單元是10^-43s，該尺度內量子效應顯著）下時空的量子特性。
我們需要引入量子引力理論因為在量子力學的計算中會受到“無限”的困擾，量子力學中假設時空可以被無限分割為更小的單元，根據假設，物理過程和場強度是越來越小的尺寸的加和，除非使用“重整化”的數學手段，否則這些無限小單元的無限加和就會導致計算的“爆炸”。但是在廣義相對論下的引力場不能應用重整化消除“無限”的影響，只能通過引入量子引力理論使重力場量子化，才能夠解決這個問題使得計算有限可行。
我們需要量子引力理論因為黑洞的熵並非無限大。黑洞的表面區域被稱為事件視界，它與黑洞的熵有關，可以用來衡量視界內部包含的信息量，單位信息承載需要的視界面積為2平方普朗克。根據全息原理，黑洞表面是二維的，要在這個表面編碼三維體積內的全部信息就意味著黑洞的內部時空應當量子化的，且不能被無限分割，否則將導致全息原理的無效化，而且將導致黑洞的視界需要承載無限的信息、需要無限大的熵。
我們需要引入量子引力理論因為所有有關物理世界的基礎理論都應當是背景獨立的，就像在廣義相對論下的時空表現的那樣，這就意味著現階段的量子力學理論是不完整的，因為它依然需要預設時空的假定，而不是像廣義相對論那樣從自身推導出時空的存在。
重點在哪？
歷史上牛頓認為時間和空間是永恆絕對的，甚至在開始描述力和運動之前就被徹底定義為我們存在世界的先決條件。而在當時，戈特夫裡德·萊布尼茲發展的另一個學派則認為時間和空間本身沒有任何意義，只是通過物體間相互關係定義的概念。愛因斯坦的相對論和相關論證實驗證實了牛頓提出的絕對時空是完全錯誤的並將時空的概念替換為萊布尼茲的相對論理論。愛因斯坦甚至在許多場合中提到空間是我們以一種近乎神話的方式提出的想象的概念。拋除物體間的相互關聯，空間不能獨立存在。它們間的關係如此緊密以至於在廣義相對論下，物體將時空幾何本身定義為引力的相對論方程的一種動態解。
如何產生對於空間的體驗？
在廣義相對論中，只關心一件事就是物體世界線上發生的事件，或者說它的歷史。事件由於同其他物體的世界線產生交叉點而產生，並編碼了物體間的相互關係。這些基礎世界線的網絡結構包含了描述全部事件和世界線的信息，這些世界線的幾何結構決定了宇宙中的物理現象。
圖解：插圖的頭部線框圖模擬了相互連接的世界線構造的幾何結構。黑色的空間不含任何幾何上或空間上的信息，其間的任意點也不會同任何組成網絡的世界線產生相互作用。這也解釋了為什麼空間是虛構的，唯一能夠定義我們的四維時空的東西只有世界線。
廣義相對論描述了這些世界線的幾何結構如何構造四維時空：這些世界線表示物體，廣義相對論描述了這些物體是如何使世界線產生彎曲從而創造出時間和空間。世界線間空白區域的點沒有物理意義，因為它們不能任何物理世界線的事件相關，這也是為什麼愛因斯坦說世界線存在的背景空間實際上並不存在！當我們看向空間時我們實際上看到的是光輻射的世界線，我們並不是在看過一個預存的空間，這意味著我們沒有看到空間這種物體，我們看到的是一個物體在時間過程中的歷史！
現今研究主要致力於兩種量子引力理論
弦理論認為物質由一維的環組成，這種環在十維時空中定義，其中有四維是我們看到的四維時空，剩餘的維度被壓縮，通過它們的幾何對稱定義了物體本身的性質。這種量子引力理論仍存在一些問題。
圖解：圖例是想象中弦的透視圖
首先它預設了弦運動所在的時空的存在，因此，同牛頓的絕對時空理論相同，弦理論是一種背景依賴理論。第二，弦理論只是有關物體和物體在普朗克尺寸下的量子性質，但事實上弦的尺寸依賴於弦張力的大小，如果弦張力很小，那麼弦將上千倍的超出普朗克尺寸，並且對於弦張力的實際大小不存在任何限制條件，它是一個可調節的參數。
圖解：圖例是想象中環的透視圖
環圈量子引力理論只涉及到時空的理論，不討論量子力學研究的物體範疇，它是一種背景獨立的理論，可以準確計算許多引力理論的問題，不像弦理論只能間接通過加和無限個可能的結果得出結論。舉例來說，環圈量子引力理論可以一步直接得到準確答案“2.0”，而弦理論只能通過加和序列1+1/2+1/4+1/8+1/16+…得到2.000。
環圈量子引力理論通過被稱為節點和邊的基礎空間元素來構建自旋網絡和自旋泡沫。就像磁場線代表磁通量，這些邊就像相當於空間的場線並代表量子化（1普朗克平方面積）的空間，通過加和一個自旋網絡區域的節點數量，每一個節點代表一個量子單元的空間體積，這些節點通過被稱為自旋網絡的相互交叉的線而相互關聯，巨大的自旋網絡看起來就像是空間在某一特定時間的快照。某一自旋網絡變為另一網絡被稱為自旋泡沫，也是四維空間的前身。節點和邊和絃理論中組成弦的一維圈環一樣，本身並沒有物理意義，它們都是純粹的數學概念。
至今為止最妙的一點是環圈量子引力理論導出了弦理論的基本原理。弦理論在遠大於普朗克尺度的範圍內討論時空和物質，這也使得物體的性質得以體現。環圈量子引力理論構建了可以供弦運動的時空背景。但它還存在一個巨大的問題。環圈量子引力理論假設宇宙常數必須是很小的且為負，這也與天文觀測得到的結果相同，但是根據弦理論，宇宙常數應該是很大的正值。而且，雖然環圈量子引力理論可以重建我們存在的巨大四維空間，它不能構建弦理論中解釋我們觀測到物體性質的剩餘六維空間。一個可能的解釋是這些多餘的維度並不是真正的空間，而只是物理學家進行計算的工具，最終將被完整的四維弦理論取代。
另一個剛剛起步的理論叫因果集合理論。同環圈量子引力理論一樣，因果集合理論是一種有關時空的背景獨立理論。它起始於一群僅通過一種指導原理相連的點，點與點通過因果關係相連。這種因果關係定義了這些點如何依序相連，但也是集合中點遵循的唯一原理。觀測者發現點形成的集合中可以產生時間和距離的物理概念併產生相對論的時空。因果集合或許同環圈量子引力理論中自旋網絡的節點相關。
另一個有關量子時空的元素如何創造時空的激動人心的發現涉及到全息原理和量子糾纏。
根據全息原理，任何在三維空間內的信息和相互關係都被編碼在包圍空間的二維表面，這就意味著表面元素間的相互關係反映了物體內部的行為。近期的研究發現，如果使用量子糾纏來連接表面的兩點，對應的內部的點將相互連接為一個物理單元。如果關閉表面的量子糾纏，內部點的關聯消失，內部空間變為不相關的點。糾纏的量可以直接同點間物理接近的程度相關，這就是如何通過量子糾纏使三維物體內部不相關的點相連形成統一的幾何結構。
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. STENBLOG- astronomycafe-南北角
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
閱讀更多 天文在線 的文章
