重力存在著問題。這是阿爾伯特·愛因斯坦 （Albert Einstein） 在100多年前發現的問題。

這也是一個我們可能即將解決的問題，或者可能需要另一個世紀才能解開。

問題是，我們并不完全了解重力是如何運作的。

“長期以來，人們一直在用大錘來解決這個問題，”悉尼大學的天體物理學家格林特.劉易斯( Geraint Lewis)教授說。

“它就是拒絕屈服。”

我們知道引力的作用。它讓我們站穩腳跟。它使地球圍繞太陽運行。

多虧了愛因斯坦的引力理論，我們有足夠的知識來繪制環繞行星和碰撞星系的路徑。

阿爾伯特·愛因斯坦不僅提出了廣義相對論，他還是量子力學的創始人

愛因斯坦的廣義相對論自1915年發表以來一直無人能敵。“但有些地方相對論會崩潰，”劉易斯教授說。

方程式不再給我們提供我們需要的答案。

因此，100多年來，物理學家一直在尋找一種新的理論來解釋愛因斯坦無法解釋的東西。

這既是推進基礎物理學的嚴肅追求、又是對時空本質的不那么嚴肅的賭注。

愛因斯坦的不完備引力理論

廣義相對論告訴我們，引力是時空的曲率。

大質量天體，如太陽，會扭曲它們周圍的空間和時間。這會導致像地球這樣的物體在特定的軌道上移動。

這與艾薩克·牛頓 （Isaac Newton） 的引力觀背道而馳，盡管他主導了物理學200年。

牛頓將引力視為一種獨立于空間和時間的力，而愛因斯坦則認為引力是空間和時間的產物。

對于澳大利亞莫納什大學的科學作家和科學史學、數學家羅賓·阿里安羅德 （Robyn Arianrhod） 來說，廣義相對論是“人類思維最非凡的創造之一”。

該理論的預測不斷成真——即使愛因斯坦本人也懷疑它們會成真。

澳大利亞科學作家和科學史學、數學家羅賓·阿里安羅德

從1919年首次觀測到太陽在日食期間彎曲的光，到2015年在時空結構中檢測到被稱為引力波的微小漣漪。

廣義相對論因其美麗和簡單而受到贊譽。但即使是愛因斯坦也知道他的理論無法解釋一切。

這就是為什么他一直在尋找將所有內容整合在一起的基本原則。

但無論愛因斯坦如何嘗試，他都找不到答案。

正如他在 1938年的一封信中寫道：“我大多數聰明的孩子，在很小的時候，最終都落入了希望落空的墳墓。”

我們知道廣義相對論不完整有幾個原因。

在黑洞的中心，當我們試圖理解宇宙的起源時，數學會變得不穩定。它告訴我們的是，我們所知道的相對論在某個點上會崩潰。

任何將要取代它的東西都會產生作用。廣義相對論也在非常小的尺度上分解。

這就是量子理論發揮作用的地方——一套完全不同的規則，告訴我們亞原子粒子（如光子和電子）的行為方式。

但這意味著我們有兩套規則來解釋宇宙，遺憾的是它們從根本上是不相容的。

量子難題

理解廣義相對論和量子力學之間的這一鴻溝的最簡單方法是比較這兩種理論如何解釋世界。

廣義相對論認為時空是連續的，而量子理論認為宇宙是構成更大整體的離散部分。他們不可能都是真的。

重力必須屈服嗎？量子力學必須屈服嗎？他們必須在中間的某個地方碰撞嗎？

長期以來，人們一直認為重力是問題所在。

根據物理學標準模型，有四種基本力，每種力都由不同類型的粒子攜帶。

對于電磁力，它是光子。對于強大的力（強力），它是膠子。玻色子攜帶的力（弱力）很弱。

那么，什么承載了引力呢？

到目前為止，我們還沒有找到使引力成為可能的離散部分，部分原因是它太弱了。重力甚至比弱力還要弱，因此非常難以試驗。

盡管如此，還是有許多理論和許多熱情的擁護者。畢竟，那些脫穎而出的人的獎賞回贈是巨大的。

“找到 [答案] 的物理學家知道他們將前往瑞典領取諾貝爾獎，”劉易斯教授幽默地表示。

“如果你破解了這個難題，那就是你要走的路。因為你會改變物理學。

澳大利亞國立大學 （ANU） 的數學物理學家物理學家蘇珊·斯科特 （Susan Scott）教授也持同樣的看法：了解引力的真正本質將會產生“驚人的影響。它可以告訴我們自然法則從何而來，宇宙是建立在不確定性之上，還是建立在決定論之上。它還可能讓我們對黑洞有新的認識，并揭開作為宇宙起點的謎團。

但這里涉及的不僅僅是諾貝爾獎。

對于這方面名列前茅的理論家不僅可以預訂瑞典（諾貝爾獎故鄉）之旅，還會發現自己擁有了一輩子的金色名片。

弦理論

弦理論可能是最令人生畏的概念之一。

但用最簡單的術語來說，它所提出的只是粒子是由微小的、振動的弦組成的。

“所以就像在音樂中一樣，琴弦的不同組合會產生不同的音符，微小的振動琴弦會產生不同的粒子，”蘇珊·斯科特教授解釋道。

這將包括擬議的引力粒子——引力子。

弦理論不僅僅是量子引力理論。它也努力成為萬物的理論。

使弦論起作用所需的維數因數學解釋而異。例如，M 理論需要11個維度。比愛因斯坦的時空理論多了七個。

超弦理論需要10個維度，而玻色子弦理論需要高達26個維度。到目前為止，還沒有一絲證據表明這些額外的維度存在。

環量子引力

環量子引力理論認為時空不是連續的，而是由一個微小的交織環網絡組成的。

該理論的創始人之一、意大利物理學家卡洛·羅維利 （Carlo Rovelli） 表示，這個想法類似于一件T恤：織物可能看起來是連續的，但如果你仔細觀察，你可以看到線。但這些線不在太空中，因為它們本身就是太空。

量子環理論與弦理論的不同之處在于，量子環理論不僅僅具有引力，還能實現量子環理論的量子

然而，就像目前所有的量子引力理論一樣，這很難測試。

環量子引力中的環會小得令人難以置信——大約 0.0000000000000000000000000000000000000016 米。

蘇珊·斯科特表示：這在地球上的任何粒子加速器中都是不可能的，因此，需要設計新的實驗。

押注時空

這些理論已經存在了幾十年，但仍然沒有得到檢驗，這可能是一個不祥之兆——至少在倫敦大學學院（University College London）的物理學家喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）看來是這樣。

“它變得如此困難的原因可能是因為我們走錯了方向，”奧本海姆教授說。

“也許量化引力的想法是錯誤的方法。”

奧本海姆教授正在研究一個有爭議的混合理論，該理論不量化引力，并且還修改了愛因斯坦的一些方程。

“然而，他自己也承認大概99%的同行都不會認同他的理論，他們大多數人認為我們應該量化引力。Carlo Rovelli 就是其中之一。

當他在 2020 年的一次會議上聽到奧本海姆教授的演講時，他非常不贊同，他甚至同意打賭誰的理論會勝出。

他們確定了1 比 5,000 的賠率，這意味著如果 Rovelli 教授贏了，他會得到一件物品，但如果奧本海姆教授贏了，他會得到 5,000。

然而，這個賭注的重點并不是要獲得最終的獲利品。而是為了確定科學家需要什么的發現才能改變他們的想法。

繼續尋找證據

物理學家試圖證明引力是一種量子現象的方法之一是在行為中捕捉它。

我們知道量子行為是什么樣的。一個例子是糾纏，其中兩個粒子相互作用，然后在很遠的距離上保持連接。

如果這些粒子糾纏在一起，只在引力作用下發生過，那就意味著引力是一種量子現象。

奧本海姆教授說，實驗室中的新興技術為該領域帶來了新的希望。

“人們一直認為，我們必須達到極高的能量才能測試量子引力，”他說。“就像我們幾乎必須找到黑洞一樣。我們最近了解到的情況并非如此。我們可以進行低能量實驗。”

今年早些時候，南安普敦大學（University of Southampton）的科學家們用磁鐵來探測粒子上的引力。

在澳大利亞，澳大利亞國立大學的科學家們提出了使用敏感激光器的量子引力實驗。

澳大利亞首位當選全球頂級物理學會會長的著名科學家蘇珊·斯科特

蘇珊·斯科特教授表示，這些桌面技術讓我們有更多機會來揭開地心引力的秘密。

“這可能是自愛因斯坦在 1915 年提出他的理論以來，參與引力研究最激動人心的時刻。”

不過，沒有一個保證的時間表。答案已經暗示了我們100年，并且可能再暗示我們100年。