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19世紀末，物理學上空飄著兩朵烏雲。它們分別引發了兩場重要的革命：量子理論和相對論。
1. 量子力學
20世紀，經過普朗克、愛因斯坦、玻爾等人的努力，他們發展出了有史以來最深刻的理論之一——量子力學。
量子力學以驚人的精確性，準確地描述了我們周圍的一切：它能解釋原子如何運動，分子如何形成，事物為什麼會有顏色。在我們製造計算機所需要的那些電子設備時，它也同樣是不可或缺的重要部分。
量子力學是在20世紀20年代提出的，最初用來描述氫原子等原子。在量子力學中，能量並不是連續的，而是存在於一份一份的小包中，也就是所謂的量子。粒子所能擁有的能量值是離散的，它們無法擁有量子與量子之間的那些能量值，我們可以將它們所佔據的能量視為一個「階梯」。我們在日常生活中無法感受到這種能級，因為一個量子的能量是非常小的。量子是由約化普朗克常數設定的，大約為1×10-34J·s。
在量子世界中，有一些東西基本上是不可知的。例如我們不可能同時精確地確定一個粒子的位置和速度，這就是海森堡不確定性原理。即使擁有最先進的儀器，我們也無法同時精確測量兩者。這對能量的理解有著深遠的影響。
不確定性原理迫使一切都具有少量能量，即便是在絕對零度，也有所謂的「零點能量」；哪怕是在空無一物的真空之中，也充滿了能量漲落。
量子力學還表明，波與粒子之間存在一種基本的關聯。也就是說，事物有時能同時表現出這兩種性質！物理學家稱之為波粒二象性。
值得注意的是，量子力學是概率性的理論。這意味著它只能告訴我們測得某一結果的概率。而觀測會迫使系統選擇一個可能的值。物理學家已經通過實驗驗證了這種行為。
這引起一些有趣的哲學思考：在進行測量之前，我們真的能說粒子存在嗎？這仍然是現代物理學的最大謎團之一。我們不知道在我們背過身時的量子世界是什麼樣子。
我們知道量子力學能準確地描述我們所看到的世界，所以我們想讓所有其他的物理理論都與之相容。我們稱這些新的理論為量子理論，而不包含量子力學的理論則稱為經典理論。
在過去的50年裡，物理學家成功地為四種基本力中的三種（電磁力、弱力和強力）發展出了量子理論。
2. 量子場論
量子場論（QFT）將量子力學從單一的局部粒子，擴展成為到無處不在的場。場代表的是滲透了所有空間和時間的力。電磁場是我們較為熟悉的一個場，從散落在磁鐵周圍的鐵屑，我們就能觀察到磁場。另一個與我們密切相關的場是引力場，它指向地球的中心。
這是兩個經典（非量子）場的例子。將量子力學應用於在這些領域就帶來了量子場論。最簡單的量子場論是量子電動力學（QED），它是關於電磁場的量子理論，描述的是被稱為電磁場的信使粒子——光子，與電子和正電子之間的相互作用。
量子場論的思想聽起來或許很簡單，但它在概念上其實非常複雜。儘管量子場論可以輕易地重現經典物理學，但若只是按部就班地對量子修正進行簡單計算，會很容易得到無窮大的答案——這不可能是對的，因為概率不可能超過100%。所以若要得到可檢驗的預測，物理學家必須從量子場論中得出有限的概率。
這一過程被稱為重整化。起初，大家覺得它就像是一種「魔術」：雖然能夠給出與自然一致的正確答案，但它處理無窮大的方式卻是完全人為的。直到20世紀70年代，理論物理學家肯尼斯·威爾遜（Kenneth Wilson）才能解釋為什麼這些無窮大的存在既合理但又無關緊要。他也因對此問題的研究而獲得了1982年的諾貝爾獎。
威爾遜解釋說，之所以會出現無窮大，是因為在計算中，我們錯誤地假設量子場論適用於無限短的距離。重整化只不過就是一個合理而系統的，能夠除去這些因這個錯誤假設而產生的無窮大的過程。
量子場論還遭遇了第二個困難：它所涉及的機制太過於複雜，使得我們只能得到近似答案。也就是說物理學家只能對解進行估算，而不能直接計算。這個過程被我們稱為微擾理論。
在某些情況下，微擾理論非常有效。物理學家會將它運用於粒子加速器，比如歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）。你還可以為它畫出一幅漂亮的費曼圖（如下圖）。但它並非完美，對於在遠距離上的強力它是無效的。
現在，我們已經大致了解量子場論在電磁力、弱力和強力這三種基本力上的運用。這構成粒子物理學中著名的標準模型的基礎。標準模型所做出的預測不斷地得到證實，有時它們準確得驚人。然而，標準模型的問題在於不夠簡潔優雅，它需要輸入19個經過精細調整的參數，而且沒有人知道這樣做的原因是什麼。
而且問題還不止於此。讓量子場論敗下陣來的是第四種基本力——引力。我們認為引力是不可重整化的。量子場論只可部分地描繪引力在低能量時的圖景，卻不能擴展——它在高能區域的理論是完全沒有預測價值的，因為它需要無窮多個常數。
3. 廣義相對論
愛因斯坦的廣義相對論是我們對引力的最好理解。質量扭曲了時空，產生了我們能夠觀察到的引力現象。我們已經掌握了許多與廣義相對論有關的特性。它應用廣泛，我們可以用它來研究宇宙的膨脹，也可以將它運用於GPS衛星的精確定位。但有時，這個概念也會失去效力。
引力是最弱的基本力。當我們試圖在微觀尺度上解讀它的影響時，它的弱便成了一個大問題。強力、弱力和電磁力之間的相互作用，都能有效地掩蓋任何發現引力的機會。我們以為可能存在的引力的信使粒子——引力子，從未真的被實驗探測到過。
在大多數時候，微小的引力無足輕重，我們可以放心地忽略它對原子行為施與的微小影響。這在現代粒子物理學中已經取得了極大的成功。量子場論是一個能對物質進行難以置信的精確描述的框架，儘管它無法與引力相容。
但有時我們想要在極其微弱的區域理解引力。根據大爆炸理論的預言，早期的宇宙是微小而緻密的。在這種情況下，所有力都是平等的。若要模擬宇宙的發展，我們就必須弄清楚它們的相互作用。因此我們需要引力的量子理論。
黑洞也被神秘的謎團籠罩。這些已死亡的恆星有著如此巨大的質量，以至於能將時空擠壓成一個無窮小的點。量子效應在那裡開始發揮作用。簡單粗暴地將廣義相對論和量子力學的計算結合在一起，只會得出荒謬的結果。
我們對引力的理解是不完整的。對於太小的時空或太大的引力，愛因斯坦不能為我們再提供更多的信息。我們需要一種方法來調和現代物理學的兩大基石——廣義相對論和量子場論。一個成功的方法必須能在基礎層面上修正物理學，幫助我們解決量子引力問題。
來源：原理
編輯：AI