1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，颠覆了人类对时空的认知；20世纪中叶，量子场论（提醒：量子场论是量子力学的扩展理论）横空出世，统一了电磁力、弱力和强力，构建起粒子物理的“标准模型”。这两大理论，一个主宰高速与微观世界，一个解释宇宙基本力的运作，似乎让物理学接近“终极真理”。
然而，当物理学家试图用它们解释黑洞、宇宙大爆炸或引力的本质时，矛盾出现了——量子场论无法容纳引力，狭义相对论解释不了加速运动。难道这些“完美理论”真的错了吗？
读者可以参考《解析物理的十层之旅：理解知识的多面性》一书。

量子场论：辉煌背后的“漏洞”

量子场论被誉为“人类最精确的理论”，它将粒子视为场的激发态：光子是电磁场的涟漪，电子诞生于电子场的振动……这一理论成功统一了除引力外的三大基本力，甚至预言了希格斯玻色子的存在。

但问题来了：为何引力始终被排除在外？
量子场论中，引力若被量子化，计算会因时空的无限细分产生发散项（如圈图积分中的无穷大）。不同于电磁力或强力，引力无法通过‘重整化’消除这些发散——这是数学框架的先天缺陷，直接导致量子引力理论的不自洽。比如，两个电子靠近时，电磁力通过交换虚光子实现，但若换成引力子（引力的载体），计算结果会因时空的无限分割而爆炸。更致命的是，引力无法通过“重整化”消除这些无穷大——这意味着量子场论的数学框架天生排斥引力。
正如文中所述：“真空并不空”，但量子场论的“真空”中，唯独缺少引力的位置。

狭义相对论：惯性系的“幽灵”

狭义相对论告诉我们：光速恒定，时空一体。需要注意的是，狭义相对论仅适用于惯性参考系（匀速或静止）。对于加速参考系，爱因斯坦通过广义相对论重新定义了引力和非惯性力，将相对性原理推广至所有参考系。然而，现实宇宙中加速运动无处不在：地球绕太阳旋转、苹果自由下落……这些现象迫使物理学家追问：惯性系究竟如何定义？
牛顿曾用“水桶实验”证明绝对空间的存在：旋转的水面凹陷，是因为水相对于绝对空间运动。但爱因斯坦否定了绝对时空观，狭义相对论中惯性系的定义变得模糊。更棘手的是，引力无法融入狭义相对论框架。

牛顿的万有引力定律假设引力瞬时传递，违背狭义相对论的光速限制。爱因斯坦通过广义相对论将引力重新解释为时空弯曲的动力学效应，引力波的传播速度被严格限制为光速。在现代物理学中，这种超距作用的观念与狭义相对论中的光速不变原理不兼容。若强行将引力纳入狭义相对论，天体的轨道会因观测者运动状态不同而混乱——静止者看到的引力是4N，运动者看到的却是5N。这种矛盾让爱因斯坦意识到：必须抛弃惯性系的特权，重新定义引力。

广义相对论与量子力学的“世纪之战”

爱因斯坦用广义相对论解决了引力的难题：引力是时空弯曲的效应，行星沿“最短路径”运动。但当他试图将这一理论与量子力学结合时，三大矛盾浮出水面：
定域性冲突：广义相对论中，引力通过时空的弯曲来描述，其效应是连续的；而量子力学中，粒子可以处于空间各处的叠加态，这与广义相对论的连续性描述存在矛盾。
时空观的撕裂：量子力学中，时空是静态的舞台；广义相对论中，时空是动态的演员。黑洞奇点处，两种描述同时失效。
引力子的尴尬：在量子场论框架下，假设引力由自旋为2的‘引力子’传递。然而，引力子与其他规范玻色子（如光子自旋1）性质迥异，且其存在尚未被实验证实——探测引力子需要极端能量条件，远超当前技术极限。

文中提到：“物理学家需要量子力学描述黑洞奇点，但广义相对论拒绝交出钥匙。”
提醒：黑洞奇点处时空曲率趋于无穷大，广义相对论失效，需量子引力理论描述。

弦论：统一之路的“希望之光”？

如果粒子不是“点”，而是一根振动的“弦”呢？弦论假设：所有基本粒子和力都可以被描述为高维空间中弦的不同振动模式。弦论不仅解决了量子场论中的无穷大问题，还预言了引力子的存在，并尝试统一所有基本力。一根弦分裂时，能量转化为新弦，这解释了β衰变中粒子“凭空出现”的现象；弦的振动避免了“点粒子”导致的无穷大问题，甚至预言了引力子的存在。

但弦论也面临质疑：
实验困境：弦论预言的新物理现象（如额外维度或超对称粒子）需要接近普朗克能量（10^28 eV）的实验条件，而当前最强粒子加速器（LHC）仅能达到10^13 eV，能量差距达15个数量级。这使直接验证弦论几乎不可能。科学家们正在探索通过间接方法来验证弦论的预测，例如通过宇宙学观测或粒子物理实验中的新现象。
数学迷宫：超弦理论有5个版本，直到M理论才勉强统一，但其数学复杂性远超人类当前认知。
正如文中施瓦茨的坚持：弦论虽未被证实，但它让物理学家看到了“量子引力”的可能性。

错的不是理论，是人类认知边界

量子场论和狭义相对论在各自的适用范围内非常精确，但它们在某些极端条件下（如黑洞奇点或宇宙大爆炸）的局限性也逐渐显现。问题在于，当我们追问宇宙终极规律时，旧理论的边界开始显现。
正如霍金所言，科学的一个重要目标是寻找一个能够统一描述所有物理现象的理论。然而，物理学的魅力不仅在于寻找终极理论，还在于不断探索和理解自然界的奥秘。弦论、量子引力……这些尝试未必是答案，但它们提醒我们：物理学的魅力，正在于永远向未知敞开。
▊《解析物理的十层之旅：理解知识的多面性（第2版）》
【马来】柯家浚 著
b站2023知识区“金知奖”年度黑马内容奖得主
马来西亚物理科普新锐“小学科学SSR”著作

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