科学家提出全新统一理论，首次在标准模型框架内统一引力！（文字版）
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为什么我们能把原子甚至是原子核拆得那么清楚，但却搞不懂黑洞里面到底发生了什么？上次介绍引力真空星，最后提到，要想准确描述引力真空星（包括黑洞内部）的物理性质，离不开一个完善的量子引力理论。引力量子化这事吧，物理学家可没少忙活，前前后后纠结了将近一个世纪，但至今仍然没有一个明确的结果。
这事为什么这么难呢？关于这个问题，四年前曾专门做过一期。简单说，如今的物理学大厦主要由两大支柱——一个是描述宏观引力的广义相对论，一个是描述微观世界的量子力学。虽然量子理论也能用来解释宏观世界，但在绝大多数具体场景下，这俩理论还都遵循各自的适用范围，通常分开来用。就拿宇宙天文领域来说，在需要处理恒星演化类问题时，我们更多用到的是量子理论，引力方面牛顿力学绰绰有余，甚至用不着广义相对论出手（除了最后的坍缩）；但当遇到宇宙演化这种大尺度问题时，牛顿力学已经捉襟见肘，这时候就不得不派广义相对论上场。
俩理论各司其职这不挺好吗，为什么非要整合呢？因为你总有要同时考虑两种情况的时候，比如黑洞内部以及大爆炸的奇点。这时候问题就出现了——这俩理论整不到一块去！强力、弱力、电磁力，世间万物几乎都可以用量子理论来处理，但唯独引力我们拿它没辙。
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于是，合并“两大支柱”，找到一个能一统江湖的万物理论一直是物理学家们的梦想，而这一梦想的核心就是引力量子化。
早先，人们觉得这事应该没多难，毕竟量子场论都这么成熟了。但是“不试不知道，一试吓一跳”，算着算着越来越多的“无穷大”冒了出来，关键还消不掉，这便是引力量子化过程中遇到的最棘手问题——不可重整。
为了解决这个问题，物理学家想了各种办法。有一派说：我们干脆换个思路，点粒子确实容易出现无穷大（毕竟是零维嘛），那如果我们把点粒子看成是一维的“弦”呢？这便是如今的弦理论（String theory）。而且弦论里天然就包含了承载引力的引力子，完全不需要特地去做引力量子化工作。简直完美！
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那么代价是什么呢？代价就是：它太复杂了！复杂到完全自成一派，几乎要把整个物理大厦推倒重建了。而且更要命的是，弦论要求我们的宇宙存在额外维度，理论上至少有10个维度。但是现实中，就算把时间维度算上，我们也只能观测到4个维度。多出来的那些维度，弦论认为它们“蜷缩”在极其微小的普朗克尺度，被称为卡拉比-丘流形（Calabi–Yau manifold）。
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但问题就出在这：目前没有任何实验能验证弦理论的预言（包括额外维度），所以它更像是一套极具抽象的数学理论，而非贴近现实的物理理论。
除了弦论，还有一派叫做圈量子引力（Loop quantum gravity, LQG）。不像弦论那种包罗万象的理论，圈量子引力一开始就是奔着量子引力去的。该理论认为，解决无穷大问题没必要对着点粒子死磕，我们应该从“空间结构”本身入手。比如把空间想象成一个由极小的“环状结构”组成的网络，引力呢就是这些网格几何形态的变化。可以看出，圈量子引力理论不需要引入新的粒子（引力子）和额外维度，和广义相对论类似，它仍然是通过几何方式来对引力进行解释。不同的是，它里面的时空不再是连续光滑的，而是把整个引力场量子化了。
那么它的代价又是什么呢？代价是：它太专注于引力了，以至于完全忽视了其他三大基本力。本来是为了整合广义相对论和量子理论才把引力量子化，现在只顾着把引力量子化了，整合的事撂一边了。（圈量子引力：“你就说有没有量子化吧！”）可以看出，圈量子引力理论和弦论完全不对等，前者是专门为了解决量子引力而生的；而弦论，目标就是要统一所有基本力，引力量子化那只是顺手的事。
无论如何，让“两大支柱”合二为一这事并不简单，目前能想到的方法不是太复杂就是局限性太强，那有没有一个既简单又能顾全大局的方法呢？
前不久，一篇发表于《物理学进展报告》上的文章中，两位来自芬兰的物理学家提出了一种“统一引力（Unified Gravity）”理论，首次在标准模型框架内实现了引力的量子化（部分）。
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在标准模型中有个很重要的概念，叫做“规范对称性”。承载电磁力的光子来自U(1)对称性，承载弱力的W玻色子和Z玻色子来自SU(2)对称性，承载强力的胶子来自SU(3)对称性……那有没有可能，承载引力的引力子也来自某种规范对称性呢？
经过研究他们发现，只需要引入一个“时空维度场（space-time dimension field）”的新数学工具，我们就能得到4个与光子类似的U(1)对称性，从而构造出一个新的规范场——引力场。和传统引力场不同，该引力场是可以被量子化的。简单来说，他们构造了一种引力子，并且还可以借助费曼图描绘出它和电子、光子的相互作用。最关键的是，这个引力子带来的无穷大问题在一定程度上可以被消除，也就是“单圈（one-loop）”可重整。
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在量子场论里，计算粒子相互作用时，经常会遇到“圈图”（比如电子发射光子，光子又变回电子）。这些圈图有时候会积分出一个无穷大的结果，通常情况下这种无穷大是可以通过重整化等数学手段消掉的。
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但是引力子的自相互作用太强，针对它的无穷大往往没办法消掉。而该理论通过添加“游戏规则”（也就是引入新的对称性），以及耦合一些无量纲常数等多种手段，最终它避免了“单圈（一阶圈图）”情况下无穷大的出现。这是几十年来首次有人在标准模型的规范场框架下，构造出结构上自洽、量子上成立，并且还能和粒子物理兼容的引力理论。
那么万事大吉了吗？当然没有。
正如刚才所说，该理论虽然能消除无穷大，但目前这只是在单圈的低阶计算中。两圈、三圈的高阶计算时，引力子相互作用的复杂度会激增（比如同时交换多个引力子），这时候会不会出现新的无穷大，很难说。
而且现有的计算仍然建立在“微扰理论”上。所谓微扰理论，你可以简单理解成一种逐步逼近的方法。就是把一个复杂问题拆分，先简化成一个最简单的情况，然后逐步添加细节进行修正。（真空中的球形鸡……）微扰理论处理引力问题的前提是——假设引力足够弱。“这有什么好假设的，引力本来不就很弱吗？”确实，引力是四大基本力中最弱的力，而且弱得不是一丁半点，是直接弱了几十个数量级。
日常生活中这么处理自然没有问题，但是在黑洞奇点这种地方，再用微扰理论去处理就不合适了，所以该理论仍然不能解决奇点这种问题。
另外，在黑洞中心这种强引力场下，量子涨落会异常剧烈，这可能导致时空本身发生“碎裂”。所以，“量子引力”不仅仅要能对引力进行量子修正，同时也要能对时空本身进行量子修正才行。
除此之外，理论中人为引入的那个“时空维度场”该如何理解。这东西虽然在数学上合理，但它到底代表了什么物理现象？能不能被观测？这些问题目前也没有答案。
最后就是那个每一个理论都绕不开的问题——实验验证。由于引力非常微弱，量子引力效应的验证通常需要极高的能量，以人类现有的技术水平，短时间内很难对其进行检验。
那么我们该怎么评价这项研究呢？
首先，它肯定不是“最终答案”。毕竟，它并没有彻底统一引力和量子力学，目前的它更多是提供了一条新的更接地气的研究路径。但是，比起复杂且庞大的弦论，该理论显得尤为简洁。毕竟，它的核心仍然是我们的“老朋友”标准模型。而且正因如此，在融合现有量子理论方面该理论天然具有优势。
尽管这一理论只是稍有雏形，但它的理论框架非常清晰。如果这个方向是对的，那它可能会彻底改变我们对引力的理解。一条通往终极理论的路，也许就是从这样一个不起眼的岔口开始的呢。
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