物理學這門學問,過去一百年最尷尬的事是什么?不是黑洞沒人見過,也不是大爆炸誰都沒經歷過,而是我們對“萬物”的理解,一直卡在一堵看不見的墻前:量子力學和廣義相對論,水火不容。
一個講的是概率和不確定性,處理微觀粒子的世界;一個講的是時空彎曲和引力,統治著宇宙的宏觀秩序。前者說你永遠無法精確知道一個粒子的位置和速度,后者說行星繞著太陽走的軌道精確到秒。
科學家當然不甘心。幾十年來,成千上萬的大腦,燒了無數CPU、白了無數頭發,結果呢?量子和引力依舊不說話,像一對冷戰幾十年的前情侶,誰都不肯低頭。有人罵他們“死結”,有人叫他們“物理學的世紀遺憾”。
但芬蘭阿爾托大學的兩個學者,Mikko Partanen 和 Jukka Tulkki,偏不信這個邪。他們提出了一種新的量子引力理論,
看起來,這一次,這堵墻可能真的出現裂縫了。
牛頓、愛因斯坦、然后呢?
人類對引力的理解,大致分三步走。
第一步,是牛頓。他說,引力就是兩個物體之間的吸引力,跟質量成正比,跟距離的平方成反比。這套說法簡單粗暴但很好用,畢竟從炮彈軌跡到地球繞太陽轉,牛頓都能算。
第二步,是愛因斯坦。他不滿足于“吸引力”這種模糊的解釋。他說,引力不是力,而是時空的彎曲。質量告訴時空怎么彎,時空告訴物體怎么走。這一講,宇宙的面目頓時變得玄妙起來,但也更貼近真相。
但第三步呢?
愛因斯坦之后,物理學一邊發展出了量子場論,標準模型大行其道,把強核力、弱核力、電磁力都搞定了,唯獨引力還在外面站崗。為什么?因為廣義相對論是經典的,而量子場論是量子的,兩者根本用的是不同的語言。
想讓它們對話,得有人先搭個橋。
所有力都有“規矩”,引力也不能例外
現代物理的一個基本套路叫“規范理論”(Gauge Theory)。你可以理解成:物理規律是建立在某種“對稱性”上的,而這種對稱性產生的“規范場”負責把粒子之間的相互作用給組織起來。
舉個簡單例子:電子之間怎么知道要互相排斥?靠的就是電磁場這個“中間人”。而這個電磁場本質上就是“電荷守恒”的對稱性在起作用。
同樣,強核力、弱核力也都有自己的規范場——都是通過“對稱性”來構建的。
那么問題來了:引力有沒有可能也是一種規范場?
Partanen 和 Tulkki 的答案是:有,而且必須有。他們的做法是,把引力也放進規范理論的框架里,構造一種具備與標準模型相似對稱性的“引力規范場”。
什么意思?
簡單講就是:別再硬套廣義相對論那一套“時空自己在彎”的說法了,我們要用和量子場論一致的語法去重新定義引力,把它當成能量之間相互作用的一種“場”。場就能被量子化,能量就能交換,那一切就有可能講得通。
換句話說,他們不是去修補舊的宇宙圖紙,而是干脆換了一套繪圖工具。
如果成功,黑洞和宇宙大爆炸的謎團都可能迎刃而解
一旦把引力“量子化”,我們就能去解釋現在物理學最頭疼的問題:黑洞的奇點、宇宙的起源、時間是否有盡頭……這些極端環境是目前所有理論的盲區。
比如黑洞內部到底發生了什么?目前沒有理論可以解釋得清楚。再比如大爆炸那一刻,整個宇宙的能量密度趨于無限,時間幾乎凍結——我們的數學工具在那一刻全部失效。
但如果有了完整的量子引力理論,那這些“死角”就有可能變成“可計算區域”。
Partanen 很清楚這意味著什么:“如果我們最終真的能建立起完整的量子引力場論,那它將給黑洞奇點和宇宙開端這些最難的物理問題提供答案。”他補了一句,“雖然我不太喜歡‘萬物理論’這個詞,但這一步確實非常關鍵。”
是的,科學家向來忌諱夸大,但這一次,連他們自己也不敢否認——如果能成,這就是革命性的。
沒人說過道路會平坦,數學魔咒還未解除
當然,這一切聽起來像神話,但前提是:這套理論在數學上必須站得住腳。而這正是目前的最大障礙——重整化問題。
所謂重整化,就是你在做量子場論計算時經常會遇到“無窮大”的鬼東西。為了讓結果不崩盤,必須用某種數學手段把它“合理化”處理,讓它變得有限。
目前,這套新引力理論在一階近似(也就是最初級的計算)上,重整化是成立的。但如果繼續往更高階推導,還能不能解決掉那些“無限項”,目前還沒有答案。
Tulkki 說得很直白:“如果我們無法在所有階都完成重整化,那理論就會崩。”
所以,盡管他們已經把初步成果寫成論文,發表在了國際權威期刊《Reports on Progress in Physics》上,但這只是開端。他們也很清楚:真正的驗證,還得靠整個科學界一起來做。
結語:不敢說終點,但這很可能是通往終點的第一步
從牛頓到愛因斯坦,科學家一次又一次地顛覆人類對宇宙的認知。今天,Partanen 和 Tulkki 所做的,或許就是這個時代的又一次嘗試。
他們沒說自己一定成功了,也沒說這是最終答案。但他們為物理學打開了一扇新的窗。至于這扇窗外是不是“萬物理論”的曙光,那就得看這場集體智慧的接力賽,跑得夠不夠遠了。
就像Partanen說的:“我不能告訴你什么時候會完成,但幾年后,我們一定會知道更多。”
而人類離“理解一切”的那一天,也許正在這條路上,悄悄靠近。
? 原始論文
- Mikko Partanen & Jukka Tulkki
Gravity generated by four one-dimensional unitary gauge symmetries and the Standard Model
Reports on Progress in Physics, 2025
DOI: 10.1088/1361-6633/adc82e
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