一篇關於物理學統一的雜誌新聞報道通常以愛因斯坦的廣義相對論和量子理論是不可調和的開篇。一個處理引力,另一個處理電磁力和核力,但兩者都不能涵蓋所有,因此物理學家們在其理論世界中留下了一條巨大的裂縫。這是一個不錯的故事主線,但事實並非如此。“每個人都說量子力學和引力不相容——它們是不相容的,”馬薩諸塞大學阿默斯特分校的約翰·F·多諾霍說。“你仍然會聽到這種說法,但這是錯誤的。”
著名物理學家理查德·費曼在 20 世紀 60 年代提出了一個無縫的量子引力理論。它看起來很像其他力的量子理論。正如光子傳遞電磁力一樣,被稱為引力子的粒子傳遞引力。力的不同之處在於,電磁力在所有尺度上基本上都以相同簡單的方式表現,僅在總體強度上有所變化,而引力隨著您放大到微觀尺度而變得越來越繁複——這表明該理論最終讓位於更深層次的理論,例如弦理論或圈量子引力。但“最終”還很遙遠,以至於物理學家通常可以忽略這種繁複性。在 20 世紀 90 年代,多諾霍和其他人開始使用費曼的理論作為一種工作或“有效”理論;雖然不是最終的說法,但它彌合了中等到大型尺度上引力與其他力之間的裂縫。
2006 年,馬薩諸塞理工學院的肖恩·P·羅賓遜和弗蘭克·威爾切克應用有效理論來觀察引力是否改變了力強度隨尺度變化的方式。如果引力不干預,電磁力應該在一個尺度上與核力強度相等,並在不同的尺度上與引力強度相等。羅賓遜和威爾切克推測,引力會削弱其他力的強度,並導致它們在同一尺度上匹配。這個想法沒有實現,但確實讓人們開始思考力是如何相互干擾的。
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去年 11 月,英格蘭紐卡斯爾大學的大衛·J·湯姆斯認為,即使引力不能使所有力都達到一致,它至少在質量上調和了電磁力與核力。忽略引力,電磁力會隨著尺寸減小而增強,而核力會減弱。但引力會削弱電磁力,使其在非常小的尺度上表現得像核力一樣。
威爾切克稱湯姆斯的論文“令人印象深刻”。然而,大約在同一時間,多諾霍和他的研究生穆罕默德·M·安伯和穆罕默德·埃爾-胡西尼對整個方法提出了質疑。儘管引力肯定會在某種程度上干擾其他力,但他們質疑這種效應是否像調整力強度那樣簡單直接。引力的繁複性應該會感染其他力。
物理學家之所以能夠得出如此截然相反的結論,部分原因是計算非常複雜,而且目前還沒有人知道如何解釋它們。“我真的希望我對正在發生的事情有一個物理上的理解,但我沒有,”湯姆斯說。套用原子核的發現者歐內斯特·盧瑟福的話,物理學家認為,除非他們能用通俗易懂的語言向酒保解釋清楚,否則他們就沒有理解某件事。對於量子引力理論家來說幸運的是,世界上的酒保是一個有耐心的群體。