量子引力有哪些理论?

Leonard Kelley拥有物理学学士学位，辅修数学。他热爱学术世界，并努力不断探索。

虽然量子引力没有明确的工作理论，但科学家和理论家们都在努力工作，试图揭开这个圣杯。如果你能弄清楚，物理学很可能是统一的，许多支撑着谜团的多米诺骨牌会轻易倒塌。让我们来看看几个主要的理论来了解统一的前沿。

环圈量子引力

量子力学(QM)的核心在于概率函数，当我们接触到它与电磁场的狭义相对论时，这一点就变得特别有趣。QM为你提供了一个路线图，计算给定场中量子化能量的概率，以及场之间的相互作用如何像我们所认识的经典粒子一样。

它展示了信息如何是有限的，因此是离散的，我们如何在测量中有不确定性，以及关系依赖性正在发生。当我们看QM和狭义相对论一起作用时，我们到达了量子场论，其中“粒子是场的量子”。这导致了今天许多公认的理论，如标准模型和希格斯玻色子(Rovelli 126-130)。

莱夫·兰道采用了这个场论，他想知道如果我们观察一小块时空区域会发生什么。他的理论是，区域内的场会失效，因为量子的概率性质会产生一种通量，这会抑制我们找到任何值。

尼尔斯·玻尔证明了电磁场并非如此。但是Matvei Bronstein想知道该地区的重力场，结果证明Landau的分类是正确的(151-3)

诀窍在于观察空间的大小和离开空间所需的逃逸速度之间的关系。当我们试图限制一个物体时，它离开的可能性就会增加，它的能量势也会增加，导致时空发生变化，我们的物体也会移动。如果这种情况继续下去，我们最终会得到一个黑洞，一个有明确位置的奇点，因此违背了我们的量子方面。

这导致了普朗克长度的发现，这是我仍然可以获得相关量子信息的最小距离。没有什么能比这个尺度更小，所以这是我们能看到的最基本的时空。

在普朗克长度上，量子效应应该相当突出，但引力也存在，所以这是量子引力研究的出发点。但马上，我们就陷入了一个有趣的困境:如果QM允许信息量子，引力量子会是什么样子?我们不把重力与基本单位联系起来，因为它被视为物质取代时空的结果(153-4)。

它通常被想象成由无限条线组成的织物，这是量子力学不允许的。时空必须有一个基本单位，那是什么呢?我们可以用近似的数学方法，但这也不一定能得出真实的情况(同上)。

理查德·费曼(Richard Feynman)试图扩展他在基本原子粒子(中子、电子和质子)上的工作，并将其应用到广义相对论中，试图收集洞察力，但他没有这样的运气，因为他无法得到基本的量子。

费曼的老师约翰·惠勒(John Wheeler)试图在小尺度上观察空间，然后往下研究。在研究了各种几何图形的叠加之后，他提出了量子泡沫的想法，就像人们在海滩上看到的一样，但规模非常小。它会突然出现又消失，就像宇宙起源的源头一样(155-160)。

为了解释这种泡沫的结构，惠勒和布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)一起提出了惠勒-德维特方程(Wheeler-DeWitt equation)，这个方程很复杂，因为它涉及潜在轨道和弯曲空间的概率。它确实存在一些问题，包括它的时间独立性和它可以生成的无限解，但它们之间没有真正的相关性(同上)。

尽管如此，它确实提供了一些有希望的结果，并与QM和相对论有关，特别是与因果循环有关。它们处理封闭和开放的时间线，对于惠勒·德威特方程，我们最终得到了封闭的、完整的量子泡沫环。这导致了环量子引力理论，迄今为止最好的候选理论之一(同上)。

这些循环是如何产生的呢?当我们讨论重力场线的时候，这些都是可能的Wheeler - DeWitt解。Ken Wilson在1976年用点、线和格建立了时空模型。它是已知的第一个为物理过程开发的离散时空模型之一。

在这个模型中，连接点的线比质子的直径要小得多，所以很难被发现，但这使得线的作用很像物理学中的场。这条线是空间本身，而不是由静止在其中的物体引起的位移。

我们习惯谈论的结构是一组节点或线相交的位置。两个节点之间的距离被称为一个链接，节点和链接的集合形成了一个空间图(Rovelli 161-6, Smolin 115-8)。

从本质上讲，图中的节点提供了我们与空间相关联的体积，我们的链接定义了我们的距离参数。回忆一下，我们在任何给定时刻的空间体积都与重力场相关。随着体积越来越小，我们的量子效应叠加起来，我们的节点波动，创造了一个对我们来说可能的“体积光谱”。这个集合是离散的，量子化的。

没有无限的可能性，只有由图的节点提供的固定数量的可能性。这些链接最终成为我们体积之间的场线，由链接限定的区域决定了我们概念化为时空结构或晶格的空间区域。

这最终引出了我们的引力量子。斯莫林借鉴了这个晶格的想法以及来自Polyakov、t’hooft、Peskin和Shenker的其他观点，建立了一个量子引力模型。他的第一次尝试没有成功，因为他把晶格弄得太刚性了，不符合广义相对论。为了解决这个问题，他需要一种灵活多变的晶格结构，可以根据时间的推移进行调整(Smolin 118-21)。

大约在这个时候，斯莫林听说了朱利安·巴伯和布鲁诺·伯托利的研究，他们认为时空不过是关系的组成部分。斯莫林意识到广义相对论只是其中的一种关系，因此将引力方法应用于发展动态晶格理论(同上)。

如果我们设想通过跟踪路径中的节点和链接来形成一个环路，我们就实现了重力场的量子态。不像普通的量子，依赖于它们的位置，我们的引力量子是我的链接所定义的事情正在发生。这真的很神奇。“引力量子……不是在空间,它们本身就是空间这是探索质量管理的一种激进的新方法(Rovelli 167- 9,173 -4)。

自旋网络是空间，正式定义。当我完成了一个循环，我就完成了一个循环，因此就建立了重力量子。我们的循环可以相互作用，产生与QM相关的概率，在普朗克长度下，我们得到循环的概率云，最终是空间。是的，要处理的东西很多(同上)。

但是我们还没有考虑到时间因素。在相对论中，重力效应引起的时间膨胀是很有趣的，所以很明显，这种关系是存在的。但当你观察普朗克尺度时，时间似乎几乎消失了，但显然，我们知道事实并非如此。但这只是指消失的牛顿时间，而不是相对论时间。

这方面属于参照系，我们主要看宏观尺度，以了解潜在的物理和后果。我们有事件发生，从一个事件到另一个事件(参照系到参照系)的过程也可以扩展到我们的自旋网络(177-190)。

这意味着时间实际上只是一个空间的过程，我们的大小在不断减小，直到我们得到一些海森堡的考虑。如果我们限制了事件发生的边界，我们就限制了自己，因此进入了事件发生的概率云，即“量子云”。这种云如何改变我们的自旋网络可以创造它的历史，这导致自旋泡沫似乎弥补了这一点(同上)。

它让我们看到节点是如何沿着链接移动的，在我们前进的过程中创建和破坏网络的。“自旋泡沫的边界是一个自旋网络和上面的物质，”由链接本身形成的面积平面定义。至此，我们终于达到了QM所描述的时空的最终目标。现在，轮到实验人员来验证这个理论了(同上)。

渐近安全重力

当然，还有其他的理论。由史蒂文·温伯格于1978年开发的渐近安全重力理论主要研究重力的能量方面。在QM中，能量，像所有的东西一样，是量子化的，根据给定类型的能量有多少，就会有相应的反应。

对于重力，高能量因为其无限的影响而给QM带来了一个问题。但如果这并没有通过与重力相关的参数来实现呢?如果是这样，那么我们可以说引力是渐近安全的(也就是说，它不会随着能量的增加而接近无穷)(Hossenfelder)。

这很重要，因为低能量的引力比高能量的引力更容易与QM协调。在20世纪90年代末，Christof Wetterich(海德堡大学)和Martin Reuter的工作导致了在更高能量下讨论QM和引力的数学开端。

通过研究较低的能级，并在此基础上进行构建，希望能够为所有能级的量子引力描述奠定基础。这项工作已经证明了其他模型是渐近安全的，它适用于已知的低能量情况(同上)。

如果理论学家能够超越小空间的限制，在没有近似的情况下与更大的空间一起工作，我们可能会发现它也是一个渐近安全的场景，因此与QM相容。作为奖励，它预测了超对称迄今为止所遇到的缺乏成功，表明超级伙伴是不可能的，因为隔离它们所需的能级(同上)。

剩下的可能性

当然，还有更多的量子引力理论需要我们在这里进行更多的探索(所以希望能在我未来的文章中讨论”。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)的理论认为，宇宙可能以二元合作的形式存在，其中爱因斯坦的引力“是一个没有任何量子行为的纯粹经典场”，碰巧共享一个QM规则为粒子域的宇宙。那这意味着我们没有必要试图量化引力，但如果是真的，那么万物理论将是不可能实现的(Wolchover“物理学家的发现”)。

对于罗杰·彭罗斯和拉乔斯·迪奥西来说，他们的理论表明，时空不可能被叠加，因为经典上不可能取一个弯曲的区域并赋予它叠加的特性，但它做导致粒子坍缩因为它们必须与环境相匹配。这也被称为引力退相干，它确实显示出一些希望(同上)。

这就是关于量子引力的简单介绍。我很高兴我能做到拉我希望你喜欢。

作品的引用

Hossenfelder, Sabine。《为什么古老的万物理论获得新生》Quantamagazine.com．广达，2018年1月8日。2019年8月28日。

Rovelli称,卡罗。现实并非表面看起来那样。河源出版社，纽约，2017年。印刷，126-130,151-169,173-4,177- 8,182 -190。

斯莫林,李。通往量子引力的三条道路。英国《基础图书》2001年出版。打印。115 - 121。

Wolchover,娜塔莉。“物理学家找到了一种方法来看到量子引力的‘咧嘴笑’。”Quantamagazine.com．广达，2018年3月6日。2019年3月5日。

据作者所知，这些内容是准确和真实的，并不意味着要取代来自合格专业人士的正式和个性化的建议。

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