物理學(xué)是一門(mén)通過(guò)數學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述自然和預測自然的科學(xué)，它的特點(diǎn)是準確、明晰、直接。各領(lǐng)域的物理理論反映了人們對于自然各種現象的認識，同時(shí)，物理學(xué)也揭示了在各種現象以下，自然界有著(zhù)統一的本質(zhì)。正如詩(shī)句所說(shuō)：“危險的事固然美麗，不如看她騎馬歸來(lái)?！迸c數學(xué)研究可以脫離自然界的束縛不同，物理學(xué)不僅要在形式上簡(jiǎn)潔優(yōu)美，最重要的是一切理論都需要通過(guò)實(shí)驗的檢驗才能成立。在物理學(xué)的發(fā)展歷史中，曾出現過(guò)對于同一個(gè)現象的描述出現兩種截然不同的物理理論與相對應數學(xué)形式而相互僵持不下的情況，就是因為當時(shí)人們對于自然界的認識還不夠深入，而每一個(gè)矛盾的解決，往往就是一個(gè)物理學(xué)的大發(fā)展，也使人們對于自然界的理解更加深入。
19世紀與20世紀之交，當有些科學(xué)家開(kāi)始沾沾自喜地以為人類(lèi)已經(jīng)認識到了自然界的一切規則時(shí)，一些研究熱力學(xué)的物理學(xué)家對于黑體（理論上可以吸收一切外來(lái)輻射的物體）輻射問(wèn)題的研究卻陷入了一個(gè)兩難的尷尬境地?？茖W(xué)家們根據不同的理論，針對黑體輻射提出了兩種截然不同的理論，也出現了兩種截然不同的計算形式。一種尷尬的情況出現了，兩種理論、兩個(gè)公式與實(shí)驗結果相比較，分別適用于黑體輻射的低頻率和高頻率范圍，出現了“分頻率而治”的現象。物理學(xué)追求完整、統一，不可能接受只能適用于某一局限范圍的理論，或是用兩種理論同時(shí)解釋一個(gè)現象。這個(gè)困境終于被富有開(kāi)創(chuàng )性的物理學(xué)家馬克斯·普朗克（Max Planck）打破。他首先使用數學(xué)手段在數學(xué)形式上統一了兩個(gè)互不相容的公式，之后通過(guò)仔細研究公式的形式發(fā)現，為了能夠在理論上解釋這個(gè)新的符合實(shí)際測量結果的熱力學(xué)公式，必須引入量子化的概念，即能量不是以連續不斷的形式，而是以“一份一份”的形式被輻射出來(lái)，這正是“量子”概念的由來(lái)，也由此開(kāi)創(chuàng )了量子力學(xué)的時(shí)代，人類(lèi)對于自然界的認識隨之更加深入。
盡管人們對于量子力學(xué)的本質(zhì)還沒(méi)有完全理解，但是毫無(wú)疑問(wèn)，量子力學(xué)早就主宰了微觀(guān)領(lǐng)域的物理學(xué)，經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，量子力學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)的兩大支柱之一。物理學(xué)家們早都接受了量子化的概念，熟練地運用量子力學(xué)的公式進(jìn)行計算，可以說(shuō)，沒(méi)有量子力學(xué)，就沒(méi)有現代文明。與量子力學(xué)幾乎同時(shí)發(fā)展起來(lái)的廣義相對論，稱(chēng)得上是現代物理學(xué)的另外一根支柱，與量子力學(xué)不同，廣義相對論主要描述的是大尺度背景下的時(shí)空的性質(zhì)，它由愛(ài)因斯坦創(chuàng )立，幾乎同時(shí)與量子力學(xué)發(fā)展起來(lái)，人們通過(guò)廣義相對論來(lái)理解宇宙。
物理學(xué)家馬克斯·普朗克
如今通過(guò)量子力學(xué)和廣義相對論的描述，人類(lèi)對于自然界的理解已經(jīng)遠遠超越了100年前對于宇宙的機械化的理解。從基本粒子的行為到宇宙的形態(tài)，從微觀(guān)到宏觀(guān)，現代物理學(xué)的這兩大支柱，幾乎可以解釋人們現在所觀(guān)察到的一切自然現象。但是事實(shí)遠沒(méi)有看上去的那么美，物理學(xué)的這兩大支柱各自主宰了微觀(guān)和宏觀(guān)領(lǐng)域，卻彼此難以相容，因此造成了物理學(xué)歷史上最大的裂縫。盡管無(wú)數一流的物理學(xué)家試圖解決這個(gè)難題，但經(jīng)過(guò)了80多年的努力，現在人們對于這個(gè)困境還是一籌莫展，不知如何是好。
這兩個(gè)物理學(xué)的基本理論都具有復雜的數學(xué)形式，經(jīng)過(guò)了100多年，無(wú)數實(shí)驗的檢測，這兩個(gè)理論都在各自的領(lǐng)域里表現出了驚人的準確性和預見(jiàn)性。但是這兩個(gè)凝結著(zhù)人類(lèi)最高級智慧的物理理論，在誕生之初就彼此不能相容，不僅統治的領(lǐng)域有別，對自然的物理學(xué)解釋也不相同。1916年，在廣義相對論誕生之初，愛(ài)因斯坦就曾經(jīng)指出，為了與廣義相對論相統一，量子力學(xué)必須做出修改。量子物理學(xué)家在研究尚未深入的時(shí)候認為可以把電磁力與引力相類(lèi)比，因此量子力學(xué)與廣義相對論的結合并不會(huì )花費太大力氣，科學(xué)家們很容易地實(shí)現了對電磁場(chǎng)的量子化，他們認為對于引力也可以如法炮制。著(zhù)名的物理學(xué)家海森堡和泡利在1929年就曾寫(xiě)道：“人們應該注意到，對于引力的量子化應該不會(huì )有任何困難，就如同我們對于電磁場(chǎng)的量子化?！?/p>
但是過(guò)于放松的物理學(xué)家們沒(méi)過(guò)多久就意識到了他們之前的估計太過(guò)樂(lè )觀(guān)。在自然界的四種基本相互作用中，量子力學(xué)主要包含了其中的三種：電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用；而廣義相對論則通過(guò)講述質(zhì)量、能量和時(shí)空的關(guān)系來(lái)描述第四種相互作用——引力。這兩種理論存著(zhù)巨大的根本性的分歧。廣義相對論可以算做牛頓經(jīng)典力學(xué)的延伸，在廣義相對論的描述中，質(zhì)量和能量都具有“經(jīng)典”的意義，而且一切物理量也都具有明確的大小和方向，可以被精確地計算；而量子力學(xué)描述的物理景象卻不相同，在微觀(guān)世界中，時(shí)空只是平坦的背景，由于測不準原理，物理量通常并不具有精確的大小和方向。這兩個(gè)理論不僅在數學(xué)形式上存在巨大的差異，而且對于自然界的理解上也存在著(zhù)根本差異，這個(gè)根深蒂固的矛盾與在科學(xué)哲學(xué)層面上的分歧，遠遠大于一個(gè)多世紀之前人們對于黑體輻射問(wèn)題的不同理論解釋之間的差異，成為當代物理學(xué)一個(gè)令人頗為尷尬的現象：兩個(gè)對于自然界理解如此不同的理論，在各自的領(lǐng)域中都表現出合理性，當人們試圖把它們統一起來(lái)時(shí)卻又顯得荒謬，就連在數學(xué)形式上都很難做到表面上的統一。
如今人們寬泛地把可以結合量子理論與廣義相對論的理論稱(chēng)為“量子引力”理論，可惜的是，經(jīng)過(guò)了80多年的努力，人們還沒(méi)有找到一個(gè)完整的，可以自圓其說(shuō)的量子引力理論。因此，量子力學(xué)與廣義相對論的結合就成了如今物理學(xué)的“圣杯”，無(wú)論如何，這兩個(gè)基本物理學(xué)理論的結合將成為理論物理學(xué)歷史上最大的成功，也必然將再次大大推進(jìn)人們對于自然界認識的深度。
兩種對自然的理解方式，兩種理論，兩種數學(xué)手段。物理學(xué)的兩大根基如此對峙，帶給物理學(xué)家的不止是尷尬，還有對未來(lái)物理學(xué)發(fā)展方向的迷茫。幾十年來(lái)，很多種理論、假說(shuō)被提出來(lái)，希望可以結合這兩種理論，最具代表性的就是弦論和圈量子引力理論，但是因為這些全新的理論全都缺少實(shí)驗證據，因此還只能停留在漂亮的假說(shuō)階段。假說(shuō)之所以難以被驗證，主要是因為量子理論與廣義相對論的矛盾之所在，大多集中在極微小并且能量極大的時(shí)空尺度上，這種尺度被稱(chēng)為普朗克尺度，普朗克尺度中的長(cháng)度被稱(chēng)為普朗克長(cháng)度，只有1.616×10-35米，這個(gè)長(cháng)度被認為是時(shí)空中長(cháng)度的最小單位，如果拿普朗克長(cháng)度與一個(gè)原子相類(lèi)比，就相當于拿一個(gè)原子與整個(gè)太陽(yáng)系做類(lèi)比！這個(gè)長(cháng)度遠小于目前人類(lèi)可以測量的范圍，而普朗克能量則遠大于目前粒子對撞機所能產(chǎn)生的最大能量。物理學(xué)講究所有的假說(shuō)都需要實(shí)驗的驗證，因此對于目前這個(gè)物理學(xué)最大的難題，科學(xué)家們仍然顯得束手無(wú)策。
引力究竟是一種量子化現象，還是時(shí)空自身的性質(zhì)？為何引力如此特殊，不能與其他幾種相互作用統一起來(lái)？為什么對于不同的尺度需要有兩套理論來(lái)解釋?zhuān)叨鹊淖兓瘜τ谖锢韺W(xué)又意味著(zhù)什么？這都有待于還在建設中的量子引力理論提出解釋?zhuān)匾氖?，盡早使各個(gè)理論得到實(shí)驗的驗證?？茖W(xué)家們理想中的量子引力理論將這兩個(gè)存在深刻矛盾的理論合二為一，彼時(shí)人們對于時(shí)空、物質(zhì)、能量以及因果性的認識必將進(jìn)一步加深?？茖W(xué)家們目前最為關(guān)心的是量子引力理論如何描述時(shí)空的微觀(guān)結構。根據量子力學(xué)，在普朗克尺度上，在極小的空間里又蘊含著(zhù)極大的能量，這便形成了一個(gè)個(gè)微小的黑洞，而這種極微小的黑洞又具有怎樣的性質(zhì)，它們與早期的宇宙又有怎樣的相似之處，這些黑洞是否會(huì )產(chǎn)生霍金輻射而迅速地消失掉？在極小的尺度上廣義相對論是否會(huì )失效？這些問(wèn)題令科學(xué)家們無(wú)法回答同時(shí)也無(wú)法回避。
2012年3月份，奧地利維也納大學(xué)的科學(xué)家斯拉夫·布魯克納（Caslav Brukner）和馬庫斯·阿斯佩爾邁耶（Markus Aspelmeyer）與倫敦帝國理工學(xué)院的科學(xué)家金明植（Myungshik Kim）在《自然·物理》雜志發(fā)表了一篇論文，探討在現有技術(shù)條件下檢測量子引力理論，他們提出了一個(gè)實(shí)驗方案，在現有的技術(shù)條件下，通過(guò)激光脈沖測量一個(gè)粒子的位置和速度，來(lái)檢驗量子力學(xué)的測不準原理是否需要修正，因而也就可以驗證量子引力理論的一些假說(shuō)。盡管只是提出了一個(gè)實(shí)驗的構想，但是這標志著(zhù)科學(xué)家們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于種種理論假說(shuō)，而希望通過(guò)實(shí)驗手段來(lái)彌合兩種物理學(xué)基礎理論的根深蒂固的矛盾。
人們無(wú)法預知物理學(xué)的發(fā)展歷程，無(wú)法想象量子力學(xué)與廣義相對論何時(shí)，以何種方式可以實(shí)現統一，更無(wú)法預知兩種基礎理論在統一之后會(huì )給人類(lèi)對于自然的認識帶來(lái)怎樣的改變。對于物理學(xué)的不二法門(mén)的探索與思考，正是這門(mén)科學(xué)自身的魅力之所在。
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