当代物理学几十年来一直在追求一个既雄心勃勃又至关重要的目标： 给出引力的量子描述这并非出于智力上的异想天开，而是对自然界一致性的要求：如果其他基本相互作用都有坚实的量子形式，那么作为第四个存在争议的相互作用，引力也可以用量子力学的规则来处理，这是合理的。
广义相对论在解释以下现象方面取得了非凡的成功： 时空曲线 在质量和能量存在的情况下，为什么光线会被强引力场偏转？星系如何在大尺度上演化？黑洞附近会发生什么？即便如此，仍然存在一些边界现象——最极端、最微观的现象——在这些现象中，它们的方程不再适用。 与量子力学的兼容性 它像方糖一样会溶解。
我们对量子引力的理解是什么？
所谓量子引力涵盖了在同一框架内调和各种现象的尝试。 量子场论和爱因斯坦的相对论迄今为止，还没有经过验证并被业界接受的理论能够实现这一点，但我们确实有一些强有力的候选理论和一系列互补的提案。
目前有两种主要方法处于领先地位： 弦理论 和 圈量子引力 （或环）。除了这些轨道替代方案之外，还有许多其他截然不同的理论，例如扭量理论、非交换几何、单纯量子引力、欧几里得量子引力，或基于以下理论的公式： 相对论中的零曲面它的多样性恰恰说明了挑战的复杂性。
其动机很明确：微观世界受量子规则支配。 概率性和离散性引力不断地弯曲着时空。当我们试图不加思考地将它们结合起来时，就会出现无穷大、矛盾和根本无法拟合的方程式。
两种对立的观点：高能理论与相对论理论
对于许多从事粒子物理和高能物理研究的人来说，引力是…… 较弱的相互作用这又是另一种可以用标准量子场论来描述的现象。从这个角度来看，人们正在寻找一种“引力子”，或者说是引力场的一种激发态，它能够像电磁力、弱相互作用和强相互作用一样，被纳入标准模型的框架之中。
沿着这个思路，弦理论提出粒子不是点，而是…… 一维丝状物 它们的振动模式产生了所有粒子和力。在这个体系中，引力表现为弦的一种特定激发，而问题——简而言之——就简化为理解这种激发如何重现已知的引力现象。
另一方面，相对主义者警告说，这种策略可能会…… 身体不足广义相对论告诉我们，物理学的展开并不存在一个固定的“舞台”：时空是动态的，并且参与其中。因此，将引力视为一个孤立于刚性背景之上的量子场是不恰当的。 背离了爱因斯坦的教训 这需要从根本上重新思考空间和时间等概念。
从这个角度来看，量子引力的挑战在于，既要推进相对论开启的概念革命，又要将其整合起来。 量子力学的规则朝着重新表述现实最基本概念的综合方向发展。
圈量子引力：从连续体到离散结构
一个非常形象化的理解方法是将宇宙想象成一幅巨大的挂毯：规模宏大。 它看起来连续而流畅。但如果我们用越来越强大的“显微镜”来观察它，最终会看到交织在一起的丝线，仿佛空间正在“像素化”，不再是无限可分割的。这就是……背后的直觉。 圈量子引力（LQG）.
LQG 不预设固定的背景。它以广义相对论为基础，并迫使其用量子语言表达。在这个过程中，自然变量不再是连续度规，而是变成了 与关系相关的可观察因素 （环路）——严格来说是威尔逊环路——能够捕捉场的信息。这种方法表明时空可以有效地离散化：不再需要“在任意点”进行探测，而是通过这些闭合环路进行探测。
这种概念上的转变很重要：循环并非“存在于”先前的空间中， 定义空间本身因此，几何量子态是一种环状结构。在这个描述层面上，环状结构之外的任何东西都没有物理意义。
从操作层面来说，使用纯循环会使计算变得复杂。主要的简化来自于…… 自旋网络这个想法最初由罗杰·彭罗斯提出，并由 LQG 从第一原理重新提出，它涉及图：在节点处连接的线（边），并加载自旋标签 j = 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,…，具有方向（入或出），以及节点处的数学对象（纠缠），这些对象关联入边和出边的标签。
利用这些成分，LQG 提供 几何算子 长度、面积、体积——它们的谱是离散的。例如，一个表面的面积可以通过计算穿过该表面的自旋网络边的数量，并使用特定函数组合它们的标签来获得。这意味着当 j = 1/2 时存在一个最小面积，并且根据构造， 并非所有地区都可行。但数值是量化的。体积和角度也存在类似的情况。
理论上，会出现一个实数参数，即 巴贝罗-伊米尔齐其作用尚未完全确定。除了它不为零之外，没有理论上的限制可以确定它的值，不同的论证试图基于物理方面的考虑来确定它。
LQG 的发展、成就和障碍
LQG最著名的成就之一是推导出了 黑洞的熵实现与视界面积成正比的关系，如贝肯斯坦-霍金定律 (S ∝ A) 所示。早期的研究需要调整巴贝罗-伊米尔齐参数才能达到 1/4 的系数，这似乎是一种“技巧”。然而，后来的研究表明，无需这种临时调整，也能在以下情况下恢复正确的比例关系： 从天体物理学角度来看合理的黑洞.
在宇宙学中，当该技术应用于早期宇宙（LQC，圈量子宇宙学）时，大爆炸奇点不再是不可逾越的边界：系统平滑地穿过一个极端密度状态，这被称为 大反弹 （大反弹）。如果真是如此，我们的宇宙可能起源于之前的坍缩阶段。这一观点驱动着人们在宇宙中寻找观测证据。 宇宙微波辐射 这样就可以对模型进行测试。
LQG最常被提及的弱点是，它无法明确地证明其经典极限能够重现…… 广义相对论 通过微小的量子修正，量子电动力学在适当的极限下可以回归到麦克斯韦方程组。这一步——即彻底恢复爱因斯坦理论——是一个一致性判据，但尚未达到预期的稳健性。
统一？严格来说，LQG 并非统一理论：它可以 容纳物质场 它基于自旋网络构建系统，而不强加系统间的关系。然而，它将引力与其他相互作用置于相同的规范语言中，这构成了一种微妙的形式对齐。事实上，最近的研究进展已将其技术扩展到 更多维度和超对称性为未来与其他框架建立联系打开大门。
弦理论和其他竞争路径
弦理论的闪光之处在于它的雄心壮志：它提出了一个数学框架，在这个框架中，所有粒子和力，包括引力，都涌现出来。 振动模式 一维弦理论。为了保持一致性，它需要超对称性和额外的维度（根据不同版本，维度数为 10 或 11），而这些要素目前尚缺乏明确的实验证据：既非 超级伙伴 既没有发现已知粒子，也没有发现隐藏维度的迹象。
尽管存在一些问题，弦理论仍然成功地将众多不同的现象统一到一个优雅的形式体系中，并为强大的技术提供了一个实验室。LQG 和弦理论并不一定非要联系在一起。 相互排斥事实上，它们都具有一维激发（一种是弦，另一种是环），因此设想未来互补的场景并非不合理。
除了这两项研究之外，还有一些研究方向，其名称也同样具有暗示性，例如： 龙卷风单纯形量子引力、非交换几何、欧几里得量子引力，或是基于零曲面的理论框架。每一种理论都贡献了独特的见解和工具，它们共同构建了一个思想生态系统，而这个生态系统或许有一天会凝聚成正确的理论。
实验线索：从深空到实验室
任何量子引力理论的主要批评点在于其实验距离：最清晰的效应隐藏在非常小的尺度上。 禁止使用我们的技术即便如此，还是有一些巧妙的方法来寻找间接信号或设定界限。
一个值得注意的例子来自欧洲航天局的 Integral 任务，这是一台能够测量偏振的伽马射线望远镜。一些关于微观尺度空间颗粒性的假设预测，伽马光子的传播会发生轻微的能量依赖性“扭曲”，从而改变…… 累积极化 跨越遥远的距离。
菲利普·洛朗（Philippe Laurent）的团队（CEA Saclay）分析了有史以来记录到的最强烈的伽马射线暴之一的数据。 GRB 041219A （2004年000月19日），在仪器的探测极限范围内，他们没有探测到高能光子和低能光子之间的偏振差异。借助IBIS仪器，其分辨率比之前的仪器提高了约10倍，他们能够将信号的缺失转化为明确的限制：如果存在颗粒度，其特征尺度必须远小于10。-35 m，将高度推向 10周围-48 m 甚至更少。
另一个积分测试，这次是…… 蟹状星云 （2006）的研究强化了这一结论，尽管其范围较小，因为其源更近，累积效应也较小。综上所述，这些结果表明我们应该摒弃某些预测更容易实现的极化旋转的弦或LQG模型，并促使我们…… 完善或放弃假设.
在实验室里，由蒂姆·M·福克斯领导的南安普顿大学（英国）团队最近取得了一项里程碑式的成就：他们成功测量了引力相互作用。 微观尺度 具有令人不寒而栗的灵敏度。他的想法是：利用超导磁体在接近绝对零度的温度下使 0,43 毫克的物体悬浮，然后探测小至 30 阿牛顿（一阿牛顿是牛顿的万亿分之一）的力。
技术上的成就显而易见，但重要的是这一点。 计量能力 这让我们离观测到质量越来越轻的系统中引力量子效应的最初迹象更近了一步。计划是用更小的质量重复实验，直到接近量子领域——如果我们想将猜想变为现实，这是至关重要的一步。 确凿的证据.
一些非常规方法也正在涌现，例如有人提议…… 后量子经典引力 （与奥本海姆相关）该理论提出修改量子理论，使其与广义相对论相兼容，但并不对引力本身进行量子化。这是一种非正统的方法，但它引发了关于究竟需要做出哪些改变才能使一切协调一致的讨论。
与此同时，来自 阿尔托大学 米科·帕塔宁和尤卡·图尔基提出了引力的一种新的规范理论形式，其对称性与标准模型类似。关键在于通过规范场（例如电磁场）来描述相互作用，并将引力拟合到该规范场中。 相容对称性 与其他力一起。他们的研究成果发表在《物理学进展报告》上，探讨了利用重整化来控制无穷大：他们已经证明重整化至少在一阶近似下有效，并试图在所有近似下都证明其有效性。如果他们成功，将为……开辟一条道路。 可重整化量子场论 重力。
尽管这些进展尚未转化为直接应用，但值得注意的是，日常技术——例如…… 手机上的 GPS——它们的运作得益于相对论。如果能将对引力更深入的理解融入到一套可操作的量子形式体系中，或许能带来我们今天甚至都未曾预料到的实际惊喜。
最新技术：确定性、不确定性和可能的融合
目前，绳索理论和LQG理论是解释现实的两大主要候选理论，但它们也可能 补充 在某些特定方面。这两种方法都可能不完整（或不正确），而解决方案可能在于融合二者的优点。可以肯定的是，这条道路需要经验证据：来自高能天体物理学的极限、实验室中的极端计量学，以及 宇宙学痕迹 在天上。
其他方案丰富了研究领域，并促使人们重新审视诸如时空连续性、几何背景的作用等概念。 对称性结构 支配自然规律的法则。与此同时，理论研究必须继续完善无穷概念，阐明经典界限，并提出可证伪的观测量。
技术概述：场、势和连接
一个有用的历史线索是回顾一下……的作用 测量电位 在非引力相互作用中，场线（法拉第定律）是关键。在电磁学中，无论是弱电磁还是强电磁，势和规范对称性都是自然语言。当引力被强加到这种语言中时，就会出现诸如……之类的结构。 威尔逊的联系 编码场的整体信息。
从 LQG 的角度来看，可以一致测量的与那些已经被称为量子图的环路——自旋网络——相关联，其中边的标签 j 不是任意的：它们通过精确的规则反映了底层对称性和控制的表示。 面积或体积 它被赋予与曲面或区域的交点。这种离散的“粒度”并非人为划分的网格，而是几何体量子结构的必然结果。
节点承载交织器（连接节点的态射）这一事实 内边缘和外边缘这表明量子几何并非仅仅局限于边缘，而且交点处的自洽性也体现了全局关系。这为尝试重构动力学提供了一个数学框架，并有望最终…… 经典极限 正确的。
那么，宇宙学观测又扮演着怎样的角色呢？
如果空间结构是离散的，那么在诸如传播之类的现象中就会出现微小的信号。 引力波 或者通过宇宙微波背景辐射的微妙关联。目前，这个问题仍待解决：其极限与尺度小于10的极其平滑的时空相一致。-35 我的天，根据伽马极化数据，正朝着10的方向推进-48 任何预测更大影响的理论都已岌岌可危。
未来几年可能会提供新的线索：更灵敏的仪器、更全面的伽马射线暴目录、日益精细的偏振分析以及相关实验。 悬浮面团 这使得量子引力理论更接近实验室实验。每一条数据都迫使理论进行调整或舍弃一些无效的推论。
参考文献和推荐阅读
为了更深入地探讨，需要回顾一下…… 卡洛·罗维利 （1998）发表于《相对论生活评论》的关于圈量子引力的文章（doi:10.12942/lrr-1998-1）。对圈量子引力和量子宇宙学领域近期研究的概述以及精炼的科普文章也很有帮助。 部分结果和挑战关于观测限制，欧空局 Integral 任务文档详细讨论了伽马射线偏振分析（包括 GRB 041219A 和蟹状星云）。在实验实验室环境下，Fuchs 团队的预印本描述了…… 计量单位为阿牛顿 对于悬浮质量而言，引力规范方法可以作为很好的起点，Partanen 和 Tulkki 在《物理学进展报告》上发表的工作就是一个不错的选择。
经过这段旅程，我们清楚地看到，量子力学与引力之间的调和仍未可知，弦和带是重要的象征，其他方案拓展了视野，而从宇宙到低温学的数据正在完善各种假设；最终目标指向一个尊重……的框架。 时空动力学与量子理论相容，并最终通过了实验检验。