回答這個問題,那要看量子引力理論最終發展到什麼樣子了?我們可以這麼來理解引力和量子力學理論結合將會帶來的挑戰。量子力學的中心內容是態疊加原理,也就說是,描述兩個不同粒子或者系統的波函式可以交疊。交疊的結果是,由不同波函式Ψ1(x,t)和Ψ2(x,t)描述的兩個系統可以被視作一個單一複合系統,由波函式Ψ(x,t)=Ψ1(x,t)+Ψ2(x,t)來統一描述。波函式當然是函式,是函式就要定義在某個集合上。
在量子力學中,波函式的定義集合設定在時空的座標系(x, t)上,而波函式描述的系統內嵌在這個時空背景上面。所以我們總是能夠寫出描述一個粒子同時穿過兩個切口的波函式。而且,同樣的邏輯,我們使用傅立葉變換,把位置引數x替換成動量引數p, 運用公式Ψ(p,t)∼∫dxeipxΨ(x,t),把波函式的工作集合從(x,t)變成(p,t),我們就可以寫出兩個粒子關於動量,而非關於位置的疊加態。但是,無論是我們是在位置基礎上還是在動量基礎上考察波函式,這裡都有一個隱含的假設,就是假設這個時空背景是平坦均勻的幾何空間,我們可以把集合裡的每個座標系(x,y,z,t)都對應成時空背景中的一個點。
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現在,廣義相對論告訴我們,物理學的樣子,應該是一個超越特定座標系的學科。不光如此,任何與廣義相對論一脈相承的理論都要可以無歧義的同時定義在平面空間和曲面空間上。現在問題來了,當我們可以使用定義在平面空間上的波函式隨心所欲的進行量子力學的計算的時候,使用那些定義在曲面空間上的波函式就難辦了。藉助於足夠精巧的數學方法可以處理複雜的空間曲率問題。彎曲時空上的量子場理論(QFT-CS)就是這個相應的框架,不是一個很難記的名字。正是使用彎曲時空上的量子場理論的方法,斯蒂夫.霍金歷史性的發現黑洞發射熱輻射的速度與它的質量成反比。而然,即使這樣,彎曲時空上的量子場理論也不夠格成為量子引力理論,我們接下來解釋原因。
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量子力學就是把各種各樣的屬性歸攏到一個系統,然後構建與每個屬性都保持一致的系統狀態。這些系統狀態可以疊加,疊加後的系統會呈現出與諸如量子干涉和量子糾纏等量子行為相關的超直覺現象。如同之前提到的,現代意義的引力的概念來自於時空背景上一些區域的非平庸幾何學,由一些物質的分佈情況總結而來。人們可以分配給給定的區域的一些幾何屬性有:長度,面積,體積,角度等。一個量子引力理論應該告訴我們怎麼寫出波函式,這個波函式不是定義在給定的時空區域,而是給定時空區域的波函式,這樣才能讓我們構建出與幾個不同的幾何空間疊加態相一致的量子態。
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然而,就像前文所說的,傳統的量子力學只告訴我們怎麼寫出定義在給定幾何空間上的波函式,而沒有告訴我們怎麼寫出給定幾何空間的波函式。所以,量子力學的傳統語言不足以描述幾何空間的量子態。同樣的原因,彎曲時空上的量子場理論也不是我們所要找的量子引力理論。這個理論裡,彎曲時空只是作為在裡面定義量子態的圓形競技場(這裡不是方形競技場了),但是沒有幾何空間本身的量子態說明,而只有在這個彎曲幾何空間上運動著的的物質的量子態說明。
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圈量子引力理論是把引力和量子力學兩大理論大一統的候選者之一。從一開始,光滑連續的幾何背景概念就被拋棄了,取而代之的是由一種叫做“單形”的基本物件構建而成的離散空間-“單形”是比如三角形和四面體等基本幾何物件的複雜化術語。我們熟知的樂高玩具中,很多個小樂高塊可以組搭成複雜的結構,大體相同的方式,一組三角形或者四面體組合在一起就可以相應的構建起二維或者三維的幾何空間。
圈量子引力理論可以讓我們計算和這些“單形”相關的幾何屬性的量化值。它提供了研究真正意義上的幾何量子的工作框架,可以讓我們透過若干個幾何空間本身的量子態,來構建它們的疊加態。然而,圈量子引力理論還是有一些缺點。兩個非常明顯的阻礙,1.沒有理解清楚我們怎麼能夠把基本的“單形”粘合在一起形成一個(大致)光滑和連續的時空。2.沒有理解清楚物質—諸如電子和中微子的基本粒子—從幾何量子的角度該怎麼去描述。
FY: 黑水將軍