广义相对论和量子力学真的矛盾吗？引力量子化难在哪里？

之前我们一直说描述引力的广义相对论和描述其他三种基本力的量子力学，他们两者一直没能很好的统一起来，总有人说干嘛非要把他们统一起来，四大基本力各自能好好的用不行吗？确实，引力相对于其他三个基本力来说要弱得多，以至于在微观尺度上甚至不需要考虑它，所以处理天文尺度的，就用广义相对论。处理微观粒子尺度就用量子力学，甚至对于平时我们大多数普通人来说，牛顿力学就足以胜任日常遇到的几乎所有问题。但是随着现代科学的发展，在遇到像是黑洞这样的特殊场景时，比如既大又小的奇点，这时候就不得不兼顾两者。

上面是从两个理论的实际用途方面来说的。如果从更高层面来说的话，你也可以认为统一四大基本力是人类对于宇宙本源的一种探索，因此物理学家们才会执着于追寻广义相对论和量子力学的统一。由于当前量子理论体系更为庞大，适用面更广一些。所以准确来说， 我们其实是在寻找一套能够适合于引力的量子理论。

说到引力量子化，我们经常听到的一种说法，广义相对论和量子力学这两个理论存在矛盾。其实这句话严格来说并不准确。关于广义相对论和量子力学，他们两者之间严格来说并不算得上是矛盾，而应该说是不兼容或者不相容。因为说两个东西矛盾，一般说的是两者在同一件事情上有着相反的观点或结论。但是广义相对论和量子力学他俩各自有各自的应用范围，井水不犯河水。所以也谈不上矛盾，只能说存在着区别，比如说对于广义相对论来说，时空只存在四维。而在量子理论中，除了四维的时空外还存在着一些像是自旋所在的希尔伯特这样的抽象空间。

如果真要说哪里有矛盾，这两个理论的前提出发点可能确实存在这些矛盾。广义相对论本身是一个经典常论，作用是定域的，什么叫定域？你可以简单理解为物质只能在某一个空间内相互影响。这个空间的大小受限于光速，说白了就是你运动的再快，也不可能超光速。而量子力学，因为它的波函数是弥散在整个空间的。包括爱因斯坦一直不相信存在的量子纠缠这样的超距作用，这些都表示量子理论是非定域的。所以如果从这点来说，两个理论在根基上确实有点矛盾。这个矛盾还反映了他们两者在对待时空背景的态度上。

我们知道对于广义相对论来说，讲究物质告诉时空如何弯曲。也就是对于存在于时空中的物质，它的存在必然会导致时空本身发生形变。质量越大的物质将使得其周围时空弯曲的越厉害。但是量子尺度由于质量太小，所以时空可以看作近似是平直的，所以在量子理论中无需特别考虑时空背景问题。由于在量子电动力学中已经整合了狭义相对论，所以量子场论的时空背景直接默认为了狭义相对论的时空背景。简单说就是在量子力学中，大部分情况下，都是把时间和空间当成独立于物质的一种单独的存在。而广义相对论则认为时间、空间和物质，他们是紧密联系在一起的。这也是对于时间的本质究竟是什么这种问题没有那么容易回答的一个原因。

总之，两个理论矛盾的地方，每个人的理解和思考角度不同，答案也不尽相同。所以我们更多还是关注引力量子化究竟会遇到哪些问题。引力量子化是个非常复杂的问题，其中最直接的一个问题就是引力在数学上不能被重整化。重整化也叫重正化。它是一种量子力学中经常被用来解决在计算过程中出现无穷大问题的方法。虽然重整化本质上只是数学技巧，不过它却像万金油一样好用。人们通过他计算出来的结果往往和真实实验得到的结果能够完美吻合。但是当人们使用同样的方法去计算量子引力时，却发现原始方程中找不到一个能够被消除的无穷项，或者说要加入无穷多的抵消项才能抵消无穷大，这就意味着最终的计算结果仍然是无穷大。重整化对引力竟然完全没用，这就是从数学角度来说，引力无法被量子化的一个根本原因。

另外当今的理论物理已经把实验物理甩得太远，以至于想验证相关理论比较困难，而且就算是有朝一日我们真的通过某种方式达到了所需的超高能标。那么大自然仍然为我们预留了一个中级屏障-黑洞，因为随着能量的提高，微型黑洞将会不可避免的出现，而且能标越高，黑洞的史瓦西半径就会越大，这将意味着不断提高能标的这一实验方式在理论上就存在着终点。总之，引力量子化还存在着太多待解决的问题。因此，它也被誉为当代物理学界的圣杯，要想拿下它，我们要做的事情还有很多很多。好了，文章到这结束了，看完你有什么想说的呢？欢迎在下方留言讨论，喜欢我文章的朋友可以点个关注，内容更新时会在第一时间通知。我是涛涛随记，我们下次再见！