引力態如何阻礙量子引力的發展,在說明這個問題之前,先了解一下自然界存在的4種相互作用力。
強相互作用力、弱相互作用力、以及電磁相互作用力,這3種相互作用力從產生和相互作用這個角度來看,它們都存在微觀或者說存在原子和原子核內部,在宏觀並不存在,這些相互作用從現在的研究水平來看它們都是規範場對它們的本質,對它們的相互作用以一些個結果都有一些宏觀世界的成果,比如標準模型希格斯粒子等等,這些理論結果就把物質結構、物質粒子對物理研究向微觀推進了一大步,人們更深刻的認識到了這些相互作用力的本質,它們的本質概括起來講就是規範場,作用是規範作用,這是由於有規範場場有規範作用,使得這些粒子形成了原子,原子就進一步形成了宏觀物質宏,觀物質又進一步形成了宇宙中的各種宇宙結構,或者宇宙結構形成的是宇宙的一個物質根脈就是由物質形成了一個從微觀到宏觀再到宇觀的一個根脈,這個認識都是來源於對於相互作用本質的認識。
引力是第4種相互作用,對它的認識就遠遠的落後於對內部相互作用的認識,引力認識開始的很早,比如牛頓萬有引力,愛恩斯坦的廣義相對論,這都是關於引力的理論,它們之間並不矛盾,發展量子引力也不是為了推翻它,而是在它們使用的條件下有用的理論,有時候就是使用這種理論而不需要使用別的理論,但是它們都是從表觀經典的角度來解釋引力的,引力的本質是什麼它不知道,空時的本質是什麼也不知道,而不知道引力的本質,不知道時空的本質,對發展關於引力和空時這樣的理論是存在根本問題的,造成了空時概念的不確定。
在各種各樣的宇宙論裡面,比如大爆炸的宇宙理論,黑洞內部理論,弦理論理論,牛頓的萬有引力理論以及廣義相對論理論,還有其他各種各樣的理論,空時的概念實際上是不統一的,不同理論裡面的空時是不一樣的,空時的概念,到現在還沒有真正的確定。
由於引力它的本質到現在沒有深刻的解法,所以引力的行為也不受限制,有時引力會表現出該有的狀態,有時又會表現出違背物理定律的狀態,物理學沒辦法排除它們是錯的,也沒有辦法肯定它們是對的,造成了關於引力方面出現各種各樣的理論,但是各種各樣的理論並不管用,並不能解答問題,這種現象可以說是比比皆是。
這是個在牛頓和愛因斯坦發現了真正的引力理論之後遺留下來的一些混亂,關於空時概念和隱匿行為的一種混亂,混亂的原因就是目前為止沒有真正的答案來解答愛恩斯坦留下的三個物理學基本問題,這就是愛恩斯坦時代之後物理學的三個基本問題,這是主流上存在的問題是必須回答的,如果不能回答物理學就不能夠發展,如果回答的不對,物理學就有可能變成是一團糟,現在物理學並沒有變成一團糟,但是有關理論研究了幾十年甚至上百年沒有得到結果,這樣的理論很多,那麼三個基本問題是什麼呢?
第一問題:引力本質是什麼?
這個問題要解答的內容包括引力到底是什麼,引力是一種力還是一種幾何,引力能不能量子化,引力是物理學的問題還是數學的問題,這些都是關於引力的本質的問題。
第二問題:引力是不是規範場?
弱核力、強核力、電磁力這3種力都是規範場理論的,但是引力是不是規範場這個問題對於引力物理學家來講都是認可的,就是引力沒有給出統一的論述沒有得到統一,如果引力是規範場它會得到很多的性質,這些性質對於物理學主流發展是至關重要的,所謂主流發展就是不允許胡亂地引進假設,最多引進各個假設而且馬上就得證明,如果證明是對的時候,那股主流證明不是對的時候也就排除掉,這叫主流和主流上的理論,所以說它是不是個規範場在這個引利發展上面也是牽扯到它的本質問題。
第三問題:存不存在統一場論?
愛恩斯坦廣義相對論的後期有人把引力和電磁力也統一起來,但是並沒有成功,這個思想很重要,它推動了愛恩斯坦之後物理學統一理論的長足發展,一直到現在還沒有得到很好的結果,但這個發展的趨勢是物理學的主流,比如說弦理論、超弦等等一些理論都是在這個思想推動下得到的,因為物理學認為客觀世界的本質是一致的,是統一的,它們必然表現出來統一的模式和統一的表述,所以說這些問題是愛恩斯坦時代留下的物理學發展的一個基本問題。
物理學最近百年沒有根本的突破,就是因為這些主流上的根本問題沒有得到解決,而發展出了一些非主流的工作,這些非主流的工作又引進了大量的假設,又得不到證明,使得物理學及宇宙學某些理論的發展陷入了混亂,解決這個問題的根本途徑是什麼?
很簡單,解決引力的本質這個問題的根本途徑就是要把引力場量子化,引力場能不能量子化,引力場怎麼樣量子化,引力場量子化出現什麼結果就等於給引力判明正身,使引力根於自然界之中,這樣一來以它為根據,引力理論和物理學理論就可以得到重大的發展,所以說研究量子引力它當今世界上是物理學的一個佔主流地位的一個很重要的發展方向。
引力量子化的時候還有一個問題必須要說明那就是——引力態,為什麼引力態如此重要,因為引力量子化就是要找到組成引力場的那個量子,這個量子就是處於量子力學描述狀態的粒子,而處於量子力學描述狀態的這種微觀粒子通通都處在量子力學的量子態裡面,也就是通通的要用量子態來描述離不開它,必須有量子態,所以量子態是研究引力量子化的一個開端,引力的粒子不可能一開始就會得到的,得先知道量子態。
量子態在廣義相對論出現不久之後就有科學家開始陸陸續續地去尋找,但一直不能深入了解,也沒有完整的理論,量子態作為一個發展的傾向,早已經就提出來了,尋找引力的量子態,而且要從量子態的尋找開始引領量子化,在廣義相對論發現之後的認識過程中,關於引力量子化出現了各種各樣的理論,這些理論當中只有兩個對現在的物理學是有參考價值的:
1:就是把空間、時間、引力做到「3+1分解」
空間是3維的,時間是1維的,「3+1分解」就是嚴格區別它們不混在一起,宇宙是由源重主張的,不從源重的話,它們是永遠處於組合狀態的,它們有密切聯繫而且必須有密切聯繫,而且是存在綜合狀態的聯繫,這不像化學作用,它們可以混在一起,「3+1分解」就是把空間、時間和引力做了「3+1分解」,這個「3+1分解」理論一直到現在圈量子理論都在用。
2: 惠勒-德維特方程
是一個描述宇宙波函數必須滿足量子引力理論的方程,這個方程在幾十年前就被提出來了,一直到現在都沒有人能把這個方程解決,因為這是引力場走向量子化必須滿足的一個方程,它對引力態提出來的要求及引力的引力態的演化又進行了描述,所以解出這個方程就是發現引力態的問題,引力態是不是完備的問題,引力態怎麼演化的問題,這個方程到現在也一直沒有解決,為了解決這個方程也就是為了展開引力的量子化的問題,在實際方面開展了許多探討引力態的相關研究,比如「3+1分解」證解量子化的方法,用證解的方法使引力場量子化,還有幾何的方法使引力場量子化,還有擴展圈表象的方法使引力場量子化。
引力場量子化的發展迫使引力物理學家要考慮更進一步的問題,就是能不能利用其他的方法,例如反廣義相對論改造一下,繞過這個方程來發展引力的量子態,得到的引力量子態的描述,而這個描述必須要滿足物理規律。