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量子引力,又稱量子重力,是描述對重力場進行量子化的理論,屬於萬有理論之一隅;主要嘗試結合廣義相對論與量子力學,為當前的物理學尚未解決的問題。當前主流嘗試理論有:超弦理論、循環量子引力理論、聲學類比模型。

1基本概念

理論體系
物理學中未解決的問題: 如何將量子力學與廣義相對論/引力現象合併在一起,並且在微觀長度等級下維持正確性?任何候選的量子引力理論能提供什麼樣可證實的預測呢?
引力在經典描述下,是由愛因斯坦於1916年建立的廣義相對論成功地描述,透過質量對於時空曲率的影響(愛因斯坦方程)而對水星近日點歲差偏移、引力場下光線紅移、光線彎折等三種問題提出了完滿的解釋,並且至今為止在天文學的觀測上,實驗數據與廣義相對論預測值的相符程度遠高於其他競爭理論。由廣義相對論描述經典引力的正確性很少有人懷疑。
引力論
由理論物理巨擘所寫對於引力意義采相反看法的兩本書,很有趣地幾乎同時發表於1970年代早期。出現了這樣的僵局使得理查·費因曼(其對於使量子引力獲得了解曾做過重要的嘗試)在1960年代早期給太太的一封信中,絕望地寫道:「提醒我不要再參加任何一個引力會議。」
站在這兩種論點的前緣,(時至2005年)一個發展出弦論,而另一個發展出圈量子引力論。
不兼容性
量子力學與廣義相對論間的不兼容
時至目前為止,理論物理上最深奧的問題之一是調和廣義相對論——描述引力並且在大尺度結構(恆星、行星、銀河)上可以適用,以及量子力學——描述其他三種作用在微觀尺度的基本力。
廣義相對論中重要的一課教導了我們沒有固定的時空背景,而在牛頓力學與狹義相對論則有出現;時空幾何是動態的。雖然在原則上容易掌握,這卻是廣義相對論中最難了解的概念,而且它所帶來的結果是相當深遠的,也沒完全地探索完,即使僅就經典層級而言。就某種程度而言,廣義相對論可以視作是一種關係理論,在這樣的理論中,物理上唯一要緊的訊息是時空中不同事件彼此間的關係。
另一方面,量子力學則有賴於固定背景,既然它是從固定背景(非動態的)結構中起家的。在量子力學中,時間是開始就給定而且非動態的,恰如牛頓的經典力學一般。在相對論性量子場論中,一如在經典場論中,閔可夫斯基時空是理論的固定背景。最後,弦論是從擴充量子場論出發的,其中點粒子代之以弦樣物體,在固定時空背景中做傳遞。雖然弦論的起源是在夸克局束(quark confinement)研究方面而不是在量子引力方面,很快就發現弦的頻譜包括了引力子,而且弦的幾種特定振動模式的「凝聚」等價於對原始背景的修改。
處在彎曲(非閔可夫斯基式)背景下的量子場論,雖然並非引力的量子理論,亦顯示了量子場論中的一些假設無法被延伸到彎曲時空中,完善的量子引力理論就更不用提了。特別地說,真空—當它存在時—被指出和觀察者所經過的時空路徑有相依性(見盎魯效應)。此外,場概念看起來比粒子概念還要來得基本(粒子概念被認為是描述局部相互作用的方便法)。後者觀點是有爭議性的,和史蒂芬·溫伯格的著作《量子場論》在閔可夫斯基空間中所發展出的量子場論相矛盾。
相關關係
如果說廣義相對論是現代物理學的兩大支柱之一,那麼量子理論作為我們藉此了解基本粒子以及凝聚態物理的基礎理論就是現代物理的另一支柱。然而,如何將量子理論中的概念應用到廣義相對論的框架中仍然是一個未能解決的問題。
彎曲時空中的量子場論
作為現代物理中粒子物理學的基礎,通常意義上的量子場論是建立在平直的閔可夫斯基時空中的,這對於處在像地球這樣的弱引力場中的微觀粒子的描述而言是一個非常好的近似。而在某些情形中,引力場的強度足以影響到其中的量子化的物質但不足以要求引力場本身也被量子化,為此物理學家發展了彎曲時空中的量子場論。這些理論藉助於經典的廣義相對論來描述彎曲的背景時空,並定義了廣義化的彎曲時空中的量子場理論。通過這種理論,可以證明黑洞也在通過黑體輻射釋放出粒子,這即是霍金輻射,並有可能通過這種機制導致黑洞最終蒸發。如前文所述,霍金輻射在黑洞熱力學的研究中起到了關鍵作用。
相關領域
現有為數不少的量子引力理論被提出來:
弦論/超弦/M理論
超引力
反得西特空間(AdS)/共形場論(CFT)
惠勒-得衛特方程
圈量子引力
歐幾里得量子引力
非交換性幾何
扭量
離散洛侖茲式量子引力
沙克哈洛夫式感應引力
Regge 運算元
聲學度規(聲學類比模型)及其他的引力類比模型
過程物理學
溫伯格-威滕定理(在量子場論中有則溫伯格-威滕定理,對於複合引力/湧現引力方面的理論施加了一些約束條件)

相關研究

量子引力研究者列表
阿貝·阿希提卡(Abhay Ashtekar)—阿希提卡變數發明者。循環量子引力理論的創建者之一。
John Baez—引介自旋泡沫觀念的數學物理學家.
約翰·巴瑞特(John Barrett)—數學物理學家,協助開發量子引力中的巴瑞特-克瑞恩模型。
Julian Barbour—哲學家;《The End of Time》、《Absolute or Relative Motion?》與《The Discovery of Dynamics》作者。
馬丁·玻久華德(Martin Bojowald)—開創將循環量子引力理論應用到宇宙學的物理學家。
史帝夫·卡利普(Steve Carlip)—3維量子引力專家。
路易斯·克瑞恩(Louis Crane)—數學物理學家,協助開發量子引力中的巴瑞特-克瑞恩模型。
大衛·芬可斯坦(David Finkelstein)—物理學家,對量子相對論(quantum relativity)與其邏輯基礎貢獻良多。
Rodolfo Gambini—協助引介循環量子引力理論的物理學家;《循環、結、規範理論與量子引力》共同作者。
蓋瑞·吉本斯(Gary Gibbons)—曾對黑洞做出重要貢獻的物理學家。
布萊恩·格林(Brian Greene)—物理學家,鏡對稱現象發現者之一,弦論普及者,哥倫比亞大學教授
詹姆斯·哈妥(James Hartle)—協助開發宇宙之哈妥-霍金波函數的物理學家。
史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)—劍橋大學盧卡斯講座教授,為黑洞專家,亦是黑洞輻射的發現者。協助開發宇宙之哈妥-霍金波函數。
Christopher Isham—關注於量子引力中觀念性問題的物理學家。
泰德·賈寇柏森(Ted Jacobson)—協助開發循環量子引力理論的物理學家。
Renate Loll—研究循環量子引力理論的物理學家,and more recently helped develop the causal dynamical triangulations approach to quantum gravity.。
Fotini Markopoulou-Kalamara—物理學家,於循環量子引力理論與自旋網路這些領域中,研究將因果律列入考量的模型。
羅傑·潘洛斯(Roger Penrose)—發明自旋網路與扭量理論的數學物理學家。
久治·普林(Jorge Pullin)—協助開發循環量子引力理論的物理學家;《循環、結、規範理論與量子引力》共同作者。
卡洛·羅威利(Carlo Rovelli)—循環量子引力理論創建者之一與主要貢獻者。
李·施莫林(Lee Smolin)—循環量子引力理論創建者之一與主要貢獻者。
拉菲爾·索金(Rafael Sorkin)—物理學家,量子引力中因果集(causal set)方法的主要支持者。
安蒂·斯楚明格(Andrew Strominger)—物理學家,主要研究弦論。
湯瑪斯·帖曼(Thomas Thiemann)—物理學家,主要研究循環量子引力理論。
愛德華·維騰(Edward Witten)—首席數學物理學家,主要研究弦論與M理論。
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