廣義相對論和量子力學真的矛盾嗎？引力量子化難在哪裡？

之前我們一直說描述引力的廣義相對論和描述其他三種基本力的量子力學，他們兩者一直沒能很好的統一起來，總有人說幹嘛非要把他們統一起來，四大基本力各自能好好的用不行嗎？確實，引力相對於其他三個基本力來說要弱得多，以至於在微觀尺度上甚至不需要考慮它，所以處理天文尺度的，就用廣義相對論。處理微觀粒子尺度就用量子力學，甚至對於平時我們大多數普通人來說，牛頓力學就足以勝任日常遇到的幾乎所有問題。但是隨著現代科學的發展，在遇到像是黑洞這樣的特殊場景時，比如既大又小的奇點，這時候就不得不兼顧兩者。

上面是從兩個理論的實際用途方面來說的。如果從更高層面來說的話，你也可以認為統一四大基本力是人類對於宇宙本源的一種探索，因此物理學家們才會執著於追尋廣義相對論和量子力學的統一。由於當前量子理論體系更為龐大，適用面更廣一些。所以準確來說， 我們其實是在尋找一套能夠適合於引力的量子理論。

說到引力量子化，我們經常聽到的一種說法，廣義相對論和量子力學這兩個理論存在矛盾。其實這句話嚴格來說並不準確。關於廣義相對論和量子力學，他們兩者之間嚴格來說並不算得上是矛盾，而應該說是不相容或者不相容。因為說兩個東西矛盾，一般說的是兩者在同一件事情上有著相反的觀點或結論。但是廣義相對論和量子力學他倆各自有各自的應用範圍，井水不犯河水。所以也談不上矛盾，只能說存在著區別，比如說對於廣義相對論來說，時空只存在四維。而在量子理論中，除了四維的時空外還存在著一些像是自旋所在的希爾伯特這樣的抽象空間。

如果真要說哪裡有矛盾，這兩個理論的前提出發點可能確實存在這些矛盾。廣義相對論本身是一個經典常論，作用是定域的，什麼叫定域？你可以簡單理解為物質只能在某一個空間內相互影響。這個空間的大小受限於光速，說白了就是你運動的再快，也不可能超光速。而量子力學，因為它的波函式是彌散在整個空間的。包括愛因斯坦一直不相信存在的量子糾纏這樣的超距作用，這些都表示量子理論是非定域的。所以如果從這點來說，兩個理論在根基上確實有點矛盾。這個矛盾還反映了他們兩者在對待時空背景的態度上。

我們知道對於廣義相對論來說，講究物質告訴時空如何彎曲。也就是對於存在於時空中的物質，它的存在必然會導致時空本身發生形變。質量越大的物質將使得其周圍時空彎曲的越厲害。但是量子尺度由於質量太小，所以時空可以看作近似是平直的，所以在量子理論中無需特別考慮時空背景問題。由於在量子電動力學中已經整合了狹義相對論，所以量子場論的時空背景直接預設為了狹義相對論的時空背景。簡單說就是在量子力學中，大部分情況下，都是把時間和空間當成獨立於物質的一種單獨的存在。而廣義相對論則認為時間、空間和物質，他們是緊密聯絡在一起的。這也是對於時間的本質究竟是什麼這種問題沒有那麼容易回答的一個原因。

總之，兩個理論矛盾的地方，每個人的理解和思考角度不同，答案也不盡相同。所以我們更多還是關注引力量子化究竟會遇到哪些問題。引力量子化是個非常複雜的問題，其中最直接的一個問題就是引力在數學上不能被重整化。重整化也叫重正化。它是一種量子力學中經常被用來解決在計算過程中出現無窮大問題的方法。雖然重整化本質上只是數學技巧，不過它卻像萬金油一樣好用。人們透過他計算出來的結果往往和真實實驗得到的結果能夠完美吻合。但是當人們使用同樣的方法去計算量子引力時，卻發現原始方程中找不到一個能夠被消除的無窮項，或者說要加入無窮多的抵消項才能抵消無窮大，這就意味著最終的計算結果仍然是無窮大。重整化對引力竟然完全沒用，這就是從數學角度來說，引力無法被量子化的一個根本原因。

另外當今的理論物理已經把實驗物理甩得太遠，以至於想驗證相關理論比較困難，而且就算是有朝一日我們真的透過某種方式達到了所需的超高能標。那麼大自然仍然為我們預留了一箇中級屏障-黑洞，因為隨著能量的提高，微型黑洞將會不可避免的出現，而且能標越高，黑洞的史瓦西半徑就會越大，這將意味著不斷提高能標的這一實驗方式在理論上就存在著終點。總之，引力量子化還存在著太多待解決的問題。因此，它也被譽為當代物理學界的聖盃，要想拿下它，我們要做的事情還有很多很多。好了，文章到這結束了，看完你有什麼想說的呢？歡迎在下方留言討論，喜歡我文章的朋友可以點個關注，內容更新時會在第一時間通知。我是濤濤隨記，我們下次再見！