广义相对论和量子力学，似乎能解释一切可观测现象；然而，它们却不能同时成立：必须有一个更深层次的未知理论将它们统一起来！物理学界的泰斗们为此已经付出了一个世纪的努力！为什么统一的希望依然渺茫？
20世纪科学巨匠们
20世纪的前几十年中，物理学领域不断涌现奇迹。首先是爱因斯坦的相对论彻底改变了我们对空间、时间、运动和引力的观念。随后20年代到30年代的量子革命，推翻了我们对亚原子世界的所有直观认识。在广义相对论和量子力学的共同帮助下，我们得以解释几乎所有观测到的基本现象，并且预测了许多不可思议的现象，这些预测也最终得到了证实。然而从根本上看，这两个理论相互矛盾，物理学黄金时代以来的这一整个世纪中物理学界一直在尝试统一二者，却未能成功。今天我们将开始讨论实现二者统一的伟大探索：对量子引力理论和大一统理论的探索。这是一个宏大的话题，所以我要先抛给你们一个问题：广义相对论和量子力学的矛盾，究竟是什么？能回答出来吗？不能回答出来的话就继续看吧，随后我会公布谜题答案。
爱因斯坦
先总体说一下，广义相对论是爱因斯坦关于引力的伟大理论，在这个理论中，质量和能量的存在使时空发生弯曲，物体的运动也会随之改变，这就形成了我们眼中的引力现象。广义相对论中包含了早期的狭义相对论，狭义相对论描述了我们对时空的感知是如何与运动相关的。
一开始，牛顿认为时间和空间是相互独立且绝对的，而广义和狭义相对论则与其不同，它们把时间与空间混合成一个联合可变的时空，广义相对论描述的是浩渺无垠的宇宙。而量子力学讨论的是亚原子世界，它将粒子描述为有无限可能的波，其观测属性本质上是不确定的。
牛顿
我们对宇宙的经验认知是从这个概率图景中以一种奇怪却可以数学预测的方式采集下来的，这种数学方法从薛定谔方程开始。它追踪概率波在时空中的分布，但薛定谔方程仍然以老式的牛顿观点将时间和空间视为根本独立的；很明显这是有问题的。
如今，现代量子场论完全融合了狭义相对论提出的融合时空的概念。但至今它们还未直接体现出广义相对论关于时空扭曲的效应！这造成了许多问题，有些是轻微的可修复的，有些却是灾难性的。
质能方程
首先来看轻微的问题：黑洞信息悖论。首先，单纯的广义相对论认为黑洞会吞噬信息，从而彻底将其在宇宙中抹去。当黑洞通过“霍金辐射”蒸发时尤为如此，而这和量子理论有非常大的冲突；量子理论认为量子信息永远不会被破坏，但“霍金辐射”的存在似乎部分地解决了信息悖论
经过霍金等科学家所做的研究已经弄清被黑洞吞噬的信息能通过“霍金辐射”回到宇宙里。某种意义上，信息悖论产生的根源及其解答都来自于“霍金辐射”的发现。实际上霍金找到了一种统一广义相对论和量子场论的方法，从而推导出后者。但这种统一只是近似而不完全的。但这确实是个天才的构想！
海森堡
事实上，把广义相对论的曲线几何硬塞进量子场论处理时空的方式中是可能的。但较小的时空尺度上有强大的引力效应时，这种方法就彻底失效了！比如在黑洞的中心奇点，或者大爆炸的瞬间。这时你需要一个真正的量子引力理论。
然而，只需考虑一下小尺度下扭曲空间的结构，就会导致混乱和灾难性的冲突。概念性的讨论：首先来思考一下，在引力场中精确定义一个位置意味着什么？换言之，探讨空间结构中，极其微小的一块意味着什么？为了测量空间中某个位置，比如要确定一个粒子的位置，需要与它产生相互作用；通常人们用光子或其它粒子与它相撞，想测得的位置越精确，相互作用所需的能量就越高！所以我们需要电子显微镜和x光，甚至伽马射线来拍摄极小的物体。比如，我们用粒子加速器产生的粒子束撞击一个粒子，从而极其精确地测定它的位置。海森堡不确定性原理告诉我们，给定测量精度下所需的最小粒子束能量。
薛定谔
事实证明，将一个粒子的位置精确到普朗克长度也就是大约10~35米。需要在那个空间内投放的能量，将会形成一个直径为一普朗克长度的迷你黑洞。想测量得越精准，所需的能量就越多；就意味着可能会形成更大的黑洞。所以，广义相对论和海森堡原理告诉我们：我们不可能测量比普朗克长度还小的长度！这里简单说一下，海森堡不确定性原理讨论的是位置和动量之间的权衡关系。但更大的动量意味着更多的能量，不确定性原理同时也定义了时间和能量精确度的权衡关系。因此，相同的论证也适用于时间片段，尝试测量任何比10~43秒，也就是普朗克时间还短的时间段，就会“轰”的一声！黑洞出现了！
黑洞
还有另一种思路，首先，一个位置精确度非常高的粒子它的位置波函数，需要大范围内的动量波函数共同构建，包含极高的频率或动量的波函数。也就是说，它的位置越精确，动量越不确定，巨大的动量才可能出现。因此，比普朗克长度还精确的位置是可定义的。但粒子的动量会变得极为不确定，可能会出现高得离谱的数值。这意味着它的动能也会高得离谱，初始位置精确到普朗克长度以内的粒子，能自发地变成黑洞。当然，这些黑洞并未真的形成。相反，这个荒谬的推论告诉我们，我们对量子论或广义相对论两者或其一在极小尺度下的描述存在一些疏漏。我们来看看真正的冲突，标准量子理论将时空结构视为诡异的量子现象所发生的底层场所，在这样合理的底层结构上，应用量子原理或是量子化大部分自然力都相对常规。比如，将电场和电磁场量子化后，经典电磁学便成了量子电动力学。但在新的数学表述中，量子场仍然以光滑连续时空为基础。
时间和空间
那么如果要将引力量子化呢？引力场并非存在于时空基础之上，它本身就是时空！要将引力量子化，必须将时空本身量子化，这样新的理论就没有一个独立的坐标系来作为基础。按照广义相对论，质量或能量的存在会使引力场弯曲，任何能量都无一例外地造成时空弯曲；否则你甚至可以造出永动机！比如，应用卡西米尔效应就可以在量子引力理论中，引力本身就是量子化的时空中的激发，而激发产生的能量会导致更多的时空扭曲！表示为进一步的激发。
量子力学能完成大一统吗
换句话说，引力会产生更多的引力，以至无穷。这种自作用或自能，也出现在其它量子场理论中，也是很棘手的。例如在量子电动力学中，由于电子自身的电荷处于它自己产生的电磁场中，从而它有自作用，在量子电动力学中，这种作用通过微扰理论来解决微扰理论是一种计算复杂相互作用的方案。比如，将电子周围复杂混乱的电磁场等效于一个简单易懂的相互作用加上一系列的修正项，这个相互作用可能是单电子与静态电磁场的相互作用。在标准模型的量子场论中，微扰理论贯穿始终。
可以对一些简单数据进行实际的物理测量，从而将其带回现实中，这个过程称为重整化。例如，测量电子的质量和电荷可以将量子电动力学重整化，从而不可思议地解决电子自能的计算问题。但所有这些在你试图将广义相对论量子化时都会失效，当在量子尺度上有很强的引力作用时自能修正会发散为无穷大。与其它量子场理论不同，并没有简单的观测量可以重整化这些修正。事实上，这需要无穷多的观测量来做重整化！
霍金
我们说量子化的广义相对论时空是不可重整化的，量子化广义相对论的不可重整性与精确定位粒子会产生黑洞的想法相关。普朗克尺度下，时空不再是我们熟悉的那样。所以将时空和引力量子化的最简单方法一定是错的。从爱因斯坦本人开始，几代物理学家倾尽一生期望解决这个问题，从而将量子力学和广义相对论结合起来，他们的征途仍在继续。即使我们还没有取得公认的重大突破，这些努力也并非毫无进展。有两种主要的研究思路。其一是找到一种方法将广义相对论量子化，同时避免无穷大和不可重整性，一个主流的例子就是圈量子引力理论；另一种思路是假设广义相对论和可变时空本身其实是一个比目前理论更深层的量子理论所表现出的现象，这正是弦论所探寻的方向！
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