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06 引力物理前沿(第2页)

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根据爱因斯坦的理论,坍缩会一直持续到所有物质都被压缩成一个点。

现在有了量子理论,在很小的尺度和很高的能量下,量子力学效应会非常显著。

因此上述黑洞同时需要引力和量子力学来描述其中的物理状态。

但普适的引力理论还不存在,所以到现在人们还是无法了解恒星坍缩之后的核心是什么样的。

人们当然不满足于此。

如果我们希望能够描述自然存在的一切,那么我们就需要一个适用于引力的量子理论。

量子理论和引力不相容的原因有很多,而且比较复杂。

第一,爱因斯坦的引力理论和量子力学,在处理力的方法上有概念性差别。

在爱因斯坦的理论中,引力是时空弯曲的结果,并不存在什么外力把物体拉到一起,有质量物体相互靠近仅仅是时空弯曲导致的。

例如地球并不是被太阳拉着,它实际上是沿弯曲时空中的最短路径在自由下落。

但其他的力并非如此。

比如电场力就是带电粒子的电场产生的,电场存在于时间和空间中,但却不是时间和空间本身。

时间和空间仅仅是电场力“表演”

的“舞台”

量子力学中,处理大部分问题时都把时间和空间仅当成独立于其他物体的存在——一个被动的角色。

这样处理引力就违反了爱因斯坦所规定的一切。

引力和量子力学不兼容也有数学上的一些原因,其中最严重的是引力的不可重整性(nonrenormalizability)。

当用量子力学描述力的时候,我们的计算结果通常会包括一些无穷项。

举例来说,当利用量子力学来计算两个带电粒子之间的作用力时,我们需要把两个粒子在所有可能位置的力的分量都加起来。

有些情况下粒子间距非常非常小,于是它们之间的力就相当相当大。

把所有可能的位置的力都叠加起来会产生一个无穷大的结果。

电场力的这种不合理结果可以用一种数学手段解决,那就叫做重整化(renormalization)。

这一手段消去了方程中导致无穷大的部分。

也就是在一开始无穷项就从方程中被扣除了。

于是人们就得到了一个合理的,可以由实验验证的结果。

但爱因斯坦的引力理论中,重整化却不起作用。

因为原始方程中找不到一个能被扣除的无穷项,没东西可以消除。

于是量子引力的计算结果还是无穷大的。

显然方程中有些东西是错的。

为了解决这些问题,人们付出了很多努力。

他们尝试过修改爱因斯坦的方程(让它们看起来更加可重整化);改变量子力学(让它们不再以粒子为基础);改变我们对时空本性的理解(让它们变得不那么连续)。

在这本书里大致介绍了这些方法,或详细地说明其中任何一种都是不可能的。

它们都是非常复杂的理论,而且都还在不断完善中。

但我觉得我有必要提及一些理论——弦论(StringTheory)和圈量子引力论(LoopQuantumGravity)。

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