寻找引力子：量子引力如何改变我们对宇宙的理解？

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在粒子物理领域，有许多令人兴奋的概念和理论，使我们能够更深入地了解宇宙。标准模型就是这样的理论之一，它结合了对电磁力、强核力和弱核力以及希格斯场等潜在基本力的理解。标准模型是数十年研究和实验的结果，如今被认为是粒子物理学中最成功的理论之一。

然而，尽管取得了一些成就，标准模型并没有提供所有的答案。例如，它没有解释宇宙最基本的力之一——引力。我们知道引力是一种将一切结合在一起的力量，但在标准模型中仍未得到探索。

看来重力是我们每天都会遇到的东西，应该好好研究一下。但事实上，在原子核的尺度上，引力与其他力相比是极其微弱的。如果我们将重力与强核相互作用和弱核相互作用进行比较，那么它会弱数十万倍。这种差距之大，甚至是难以想象。

然而，尽管量子世界中的引力如此微弱，我们不能说它不存在。如果我们仅依靠基本粒子物理领域实验获得的数据，那么我们甚至不会怀疑重力的存在。

但我们在整个星系（例如银河系）甚至星系团的尺度上看到了引力的表现。在那里，重力的作用正如艾萨克·牛顿 350 多年前所预言的那样。因此，当我们谈论重力时，我们必须在不同的尺度上考虑它，以充分理解它的性质和对我们世界的影响。

当我们考虑微观世界中的引力时，它的影响尽管很弱，但仍然具有相关性。鉴于迄今为止我们最好的引力理论是爱因斯坦的广义相对论，合乎逻辑的步骤是将这一理论应用于亚原子世界。

为了清楚起见，让我们想象一下电子围绕原子核“旋转”的情况。根据广义相对论，电子会因引力波的发射而损失能量，导致其螺旋向下进入质子。这一预测类似于利用经典电磁学做出的预测，并最终导致了量子力学的创建。

因此，有前提相信引力也必须具有量子性质。存在其他基本力的量子理论以及广义相对论是经典理论的事实证实了这一点。因此，量子引力代表了理解微观世界本质中缺失的一环。

如果我们接受量子引力的概念，那么这意味着一种称为引力子的粒子的存在，就像电磁学的量子理论预测光子的存在一样。这种引力子应该是引力场的主要“组成部分”，类似于光子是电磁场的量子载体。

目前，我们还没有观察到引力子，因此我们对它们存在的信念仅基于理论。为了使引力子符合牛顿和爱因斯坦的引力理论，它必须具有某些性质。引力子必须是无质量的，以确保无限的引力半径。此外，要成为纯粹的吸引力，引力子的量子力学自旋必须为 2，这与电子自旋 (1/2) 和光子自旋 (1) 不同。此外，引力子必须是电中性的。

即使使用未来可能建造的加速器，在粒子物理实验中产生引力子的可能性几乎为零。

然而，如果宇宙与我们目前的感知有很大不同，我们在不久的将来探测到引力子的可能性很小。如果宇宙中除了通常的三个维度之外还存在其他小维度，那么也许我们会发现引力子，甚至是大质量引力子。

几种量子引力理论已经被提出，并且仍然是可能的。

其中一种理论是超弦理论，它提出物质的最小组成部分是非常小的弦。这一理论多年来一直非常流行，尽管它也因缺乏可检验的预测而受到批评。

另一个有趣的理论是圈量子引力。该理论表明存在最小的空间和时间量子，这是一个相当奇怪的想法。这意味着，与传统的尺寸调整不同，在传统的尺寸调整中，您可以将一米长的物体切成两个半米长的物体，在这个理论上，一旦达到一定的尺寸，您实际上就不能再让物体变得更小了。

圈量子引力理论中讨论的最小空间和时间的物理维度太小，无法在粒子物理的实验室实验中进行测试。然而，它们可能对观测非常遥远的天体有一些可测试的影响。目前还没有证据支持这些想法，并且该主题的研究仍在进行中。

如果量子引力的想法被证明是正确的，它将改变我们对黑洞中心奇点和大爆炸前宇宙状态等现象的理解。根据现代物理学概念，在大爆炸之前，宇宙中的所有物质都存在于一个尺寸为零的点。

同样，在黑洞的中心，形成黑洞的恒星的整个质量被压缩到零。这些巨大质量集中的点称为奇点。奇点是现代物理学中提出许多问题的现象，而量子引力可能为这些问题提供新的答案和解决方案。

因此，当物质被压缩成微小体积时，引力变得更加重要并开始占据主导地位，这意味着量子引力理论变得最相关。量子引力可以防止奇点并防止出现无限密度和零维度的点。