今天给大家介绍一个比较陌生的理论物理前沿理论：圈量子引力论！
谈起圈量子引力论，就应该聊一聊卡洛·罗韦利。如果说，经典物理学代表物理学的过去，相对论和量子力学代表物理学的当下，那么量子引力论所代表的则是物理学的未来。而量子引力论当中又有着两种重要的分支：弦论和圈量子论。20世纪80年代，卡洛和李·斯莫林等人共同开创了圈量子理论，虽然这个理论要比弦理论更加年轻，但发展速度惊人。
卡洛写了下面这四本书：
《现实不似你所见：量子引力之旅》
《时间的秩序》
《七堂极简物理课》
《极简科学起源课》
卡洛何许人也？
Carlo Rovelli
“下一个斯蒂芬·霍金”，可能言过其实，至少在当下，将来谁知道呢？
但是，圈量子引力论也绝不是泛泛之辈，让我们先通过几篇文章了解一下吧。有兴趣了，就买上面几本书吧：）
量子引力专家：哲学害了物理学？转自：环球科学
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“所谓物理学家，就是那些可以用你无法理解的方法，来解决你从未意识到的问题的人。”在一次生日的时候，我的母亲送给我一件T恤衫，上面就写着这样一句话。偶尔，当我想要激怒我弟弟的时候，就会穿上这件T恤衫，因为我弟弟是一名工程师。事实上，这句话言中了现代物理学的软肋：在物理学中，确实存在大量和日常生活关联较少的研究课题。物理学中的那些未解之谜，往往只是存在一些审美上的问题，换句话说，就是不够优美。
例如，物理学家测出了粒子物理学标准模型中基本粒子的质量，但结果只是一串数字而已，为什么是这么大，物理学家却无法解释。是否真的存在这样一种解释，我们也并不清楚。这其实是一个审美的问题，因为标准模型在实际应用中表现得异常完美。再举一个例子，广义相对论中提到的宇宙学常数可以导致整个宇宙的膨胀速度越来越快，2011年的
在这种模型中，时空是由环状结构相互作用而产生的。因此时空的结构不再是平滑的，通过环和它们之间的节点实现了量子化，这些环的大小都是普朗克长度的量级。在圈量子引力模型里，网络的节点在数学上类似于基本粒子的自旋，所以物理学家也把该理论描述的空间称作“自旋网络”。早在上世纪七八十年代，圈量子理论就已经发展得相当成熟了，在众多理论物理学家的眼中，该理论是最有希望的候选理论之一。
弦理论
在弦理论中，组成世界的最小单位是一维的“弦”。因为并不存在点状物体，所以在根本上避免了产生无穷大的可能。按照这种理论，在我们所熟悉的四维时空之外，通常还有许多个额外的维度。这些额外维一定都“紧致化”了，我们无法通过实验观察它们。弦论还预言了更多的粒子，根据“超对称”，基本粒子会拥有一些质量非常大的伙伴粒子。如能发现这类粒子存在的证据，将会给弦理论有力的支持，但目前为止寻找超对称粒子的努力尚未取得成功。
因果动态三角剖分
在这种理论中，四维时空是由三角形的最小单元组成的。那些指向相同时间方向的三角形会连接在一起。就按照这样的方式，时空的构成单元自行组织起来。这个模型很容易让人联想到自然界中更大尺度的结构形成过程，或是计算机程序模拟，在这类过程中，各种微小的构成单元只需遵照特定的连接规则和条件，最终就能形成一个稳定的大型结构。
渐进安全引力
如果我们仿照其他作
由无数微观粒子组成的液体具有很大自由度，其行为可以用流体力学理论来描述。流体力学规律其实和液体系统的分子成分没什么关联。涌现引力模仿了流体力学方法，根据基本单元和它们之间的相互作用得出时空以及时空曲率。这个想法可以追溯到苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫，他曾在1967年大胆推测，其他力场可能会通过真空激发导致引力产生 ——有点像变化的磁场产生电流。因此，该理论也被称为“感应”引力理论。
因果集
在因果集理论中，时空不是连续的，而是由大量的离散点构成。在足够小的尺度上，可以发现某些位置根本不存在时空。在因果集理论中，物理过程可以根据点集内部的顺序规则直接推导得出。由离散点构成的基本单元之间存在因果关系，粒子的可能运动状况可以表示为离散点组成的家族树。空间的体积和其所包含的离散点个数正相关，通过简单计数就可以得出。相对而言，该模型需要满足的前提条件比较少，但能给出可供验证的结果。早在20世纪90年代，该理论的支持者就曾预言，宇宙学常数很有可能是真实存在的，直到若干年之后，天文学家才观测到宇宙加速膨胀。不过，该理论在动力学方面还有很多问题有待解决。
卡洛写了下面这四本书：
《现实不似你所见：量子引力之旅》
《时间的秩序》
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圈量子引力追踪黑洞演化转自：中国物理学会期刊网 2月12日
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艺术家演示黑洞到白洞的过渡。用圈量子引力，Ashtekar，Olmedo和Singh预言黑洞演变成白洞
被陷入的物质不会从黑洞中出来。收缩达到最大值时的结构，将黑洞与白洞分开，称作普朗克星。由于相对论时间的巨大畸变，从洞的内部测量时，发生这一过程的时间可以很短，而从洞的外面测量时，会很长。这是个十分诱人的图像，它消除了黑洞中心的奇点，并且解决了落入黑洞的能量和信息消失的悖论。至今，这种黑洞过渡到白洞的图像不是理论推导出来的，而只是推测，将随机的修正加入爱因斯坦的广义相对论方程得到的。
Ashtekar， Olmedo 和Singh 指出这一图像的关键要素，在黑洞中心的过渡，是通过对完全的圈量子引力方程的近似得到的——与以前为解决大爆炸奇异性所用的方法类似。
Ashtekar—Olmedo—Singh 模型只研究黑洞中心的过渡。为使图像完整，还需要计算在视界处的隧穿。这些问题的解决将实现对黑洞的量子物理完全的理解。
有些模型表明所观察到的一些天体物理现象可能与黑洞到白洞的过渡有关。其中包括快速无线电爆发和某些高能宇宙射线。两者都可能是被陷入早期宇宙产生的黑洞中，然后又被黑洞到白洞过渡所释放出来的物质和光子产生的。目前，天体物理数据的统计性不足以确定所观察到的快速无线电爆发和宇宙射线能否证实这种假设。另一个有趣的可能性是黑洞到白洞过渡产生的小洞可能是稳定的，在这种情况下，这些“幸存者”可能是暗物质的一部分。我们对黑洞的量子物理的了解仅是开始。Ashtekar—Olmedo—Singh 的结果给了我们很确定的一点：圈引力预言黑洞的内部继续过渡到白洞。该领域进展的重要性超出对黑洞的理解。黑洞的中心是我们目前由爱因斯坦的广义相对论所给出的关于时空理论失败的地方。弄清楚这一区域的理论将意味着理解量子空间和量子时间。
更多内容详见Phys. Rev. Lett.，2018，121：241
撰文 马丁·博约沃尔德
翻译 虞骏
物质由原子构成，这一观念早已深入人心，以至于我们很难想象，当初“原子”这种东西看起来有多么惊世骇俗。一个多世纪以前，当科学家首次提出原子假说时，他们对观察如此细微的结构基本不抱什么希望，甚至质疑原子这一概念能否称为科学。不过，科学家逐渐找到了越来越多原子存在的证据。到了1905年，爱因斯坦用分子热运动解释了布朗运动，有关原子存在与否的争论才尘埃落定。即便如此，物理学家还是花了20年时间，才发展出一套能够解释原子的理论；又过了
图1在量子电动力学中时空几何是舞台背景,而光子及其他粒子是演员。
当然并不是所有的物理学家坚持要这么看，至少在微扰的层面上，我们总可以把描述引力与时空几何的度规分成两个部分，一部分用来描述背景时空以充作舞台，另一部分用来描述引力并讨论将其量子化，物理学家们确实就这样做了多年的不懈努力与尝试，这刚好让我们过渡到技术层面来看量子引力为什么这么困难。刚才提到的这个方案，我们常称为量子引力的微扰方法，但最终并没有成功，是因为人们发现微扰量子引力是不可重整化的。重整化是量子场论中的一个核心思想，简单说来，就是在微扰计算中人们往往会得到发散的结果，这在物理上当然是无法接受的，后来物理学家最终发展了一套方案，能够将计算中遇到的所有无穷大吸收到有限的几个物理参数中去，从而总能得到有限的结果，且与实验数据非常吻合，这种方法在场论中被称为重整化，但是人们发现这种方法最终无法解决微扰量子引力中的发散问题，这里遇到不同类型的发散无法用有限的物理参数去吸收，也就是物理学家常说的引力无法重整化。当然，这里说的引力不可重整化是基于爱因斯坦的广义相对论理论，后来人们尝试构建了一些推广的引力模型，例如引入一些高阶导数项，发现个别引力理论是可以重整的，但是这些理论的真空又不稳定，从而并不能真正成为一个完整的量子引力理论。
自20世纪七八十年代，人们开始寻求全新的方法来实现引力场的量子化。基于以上回顾与分析，我们能够小结，构建量子引力的出路主要有以下三种途径，一种方案是放弃微扰方案,采用非微扰的方法来构建量子引力，而第二种方案则通过分析不可重整化的根源并受粒子间渐进自由的启发，不再视基本粒子是空间质点，而是一维乃至高维延展体，第三种方案则是修改爱因斯坦的广义相对论理论。现在这三种方案成为构建量子引力理论的主流，其代表分别是圈量子引力、超弦理论和Horava-Lifshitz引力理论。
三、当前的研究现状
圈量子引力是采用非微扰方法来处理引力场量子化的代表。其基本思路沿袭了由狄拉克所提出的正则量子化一般方案，后来也与路径积分方法相
图2我们日常生活中所感受到的连续时空，在微观下也许是由分立的、具有原子样基本结构的碎块所组成。
超弦理论的出发点是视基本粒子不再是点状物而是一维弦乃至高维延展体，由此出发基本粒子间的相互作用不再是质点间瞬时发生的分离与聚合现象，而是一维弦之间的分离与聚合，在时空中体现出非局域性。这种非局域性秉承了广义相对论中时空点没有绝对意义的思想，而在技术上很大程度消除了场论重整化中的发散行为，从而为建立量子引力的微扰理论开辟了新的道路。但同时为了保障理论的自洽性，人们必须付出高昂的代价。首先就是理论要求时空背景是高维而不是四维的，其次必须要有超对称。现在大家习惯以两次革命的方式来总结近几十年弦理论的发展过程。弦论的第一次革命发生在20世纪80年代初，就是在超对称情况下，人们发现在十维时空中存在五种不同的超弦理论；而第二次革命发生在20世纪90年代中期，人们发现弦理论中非微扰物体D膜的存在，进而通过对偶发现看似不同的五种超弦理论可以在更高一维的时空中统一为一个未知的M理论，这兴起了另一波研究并了解弦论的高潮。其中最具代表意义的进展，是利用D膜与弦论对偶能明确计算弦的微观态数，为极端黑洞熵提供了非常漂亮的统计解释，其次便是AdS/CFT对应的提出更为深刻地揭示了引力与规范理论之间的深刻联系，为检验引力的全息性质提供了具体方案。特别引人
图3从粒子的相互作用到弦的相互作用
在以往的著作和文献中，大家都更倾向于展现圈量子引力与超弦理论的不同，并强调各自理论的特点与优势。毫无疑问，无论是在哲学上，还是方法技术上，两个理论似乎完全不在同一个方向上，乃至背道而驰。但是我个人更倾向于向读者指出它们的一些共性。例如不管是圈量子引力还是弦论，都强调时空点不具有绝对的意义，引力的非局域特征都表现得很明显，两者都强调时空的动力学特征，不存在一个独立的固定不变的时空背景，而在根本目标上，大家都注重引力的非微扰特征，并同意一个最终的量子引力理论，必然是背景独立的。所以最终也许真会如同双方更为开明的物理学家所预期的那样，“两条路有可能在某个地方相会”。
第三种构建量子引力的方案是修改爱因斯坦的广义相对论，或者说修改引力理论。近年有一种修改引力理论得到了大家的广泛
图4皮耶奥格宇宙射线观测站为极高能区域的物理规律提供了检验窗口
在一个完备的量子引力理论建立之前，谈论第二点似乎为时尚早，但是近年国际上人们提出了许多富有启发的思想和方案，在寻找可观测的量子引力效应的道路上取得了引人注目的进展。其一，现在的天文观测特别是对宇宙微波背景辐射的精密测量，为探索宇宙的起源与极早期演化提供了第一手资料，也为探索量子引力效应打开了一扇大门。众所周知，宇宙极早期是引力和物质的量子行为表现十分强烈的时期，也正是那些量子涨落导致了宇宙的各向异性、非均匀性和最终的结构形成，现在人们正努力通过对宇宙微波背景辐射的深入研究来探寻量子引力的遗迹。其二，通过对量子引力有效理论的研究，人们发现一些熟知的物理规律在接近普朗克能标的极高能区域可能被改变或修正，比如洛伦兹对称性可能变形或破缺，从而导致描述相对论粒子的能量动量关系产生修正，另外通常量子力学中的不确定关系在考虑了粒子的量子引力效应后也需要被推广，从而与量子引力中存在一个最小测量长度的观点一致，现在对极高能宇宙射线的观测为检验是否存在这些修正提供了窗口。另外，近年空间冷原子计划在国际上受到普遍关注，其有望在微重力环境下获得pK量级的超低温度，从而使原子冻结以凸显系统的量子效应。空间超冷原子的量子仿真为研究和验证引力中的量子效应提供了条件，如声学黑洞中的霍金辐射、超流体中切向黏滞系数与熵密度比值下限等，而其中最令人关注的，是对引力波的测量和洛伦兹对称性的检验。现在国际上已提出了相应的空间冷原子研究计划，而我国相应的空间计划也在酝酿当中。
总之，在广义相对论诞生后的这一个世纪量子引力的研究取得了长足进展和多元发展，虽然现在依然存在很多困惑和基本困难，但是经过数代物理学家的不懈努力，我们有理由相信描述引力与时空的广义相对论终将与量子理论走向融合，为人类理解自然与宇宙奥秘开辟全新的道路。
