請想象我們正身處空蕩蕩的太空，其中零星漂浮著一些星球。而之所以沒有成為隕石去流浪，是因為引力把我們固定在地球上。引力也是人類認識到的第一種基本作用力，卻到現在也沒真正搞明白引力是什麼。物理學家可以精確地描繪炮彈的軌跡，預測恆星或行星的軌道，卻依然弄不懂引力是怎麼與最小的粒子或量子發生作用的。為了明確這個問題，關於“

量子引力”物理學家進行了近一個世紀的探索，只求達到“簡單”的期望：找到一條簡單而統一的規則，描述引力是如何同時掌控著極大的星系與極小的夸克，還有這二者之間的一切。

廣義相對論走在懸崖邊緣

想不到如今物理學最棘手的問題，是去調解上個世紀最偉大的兩座成就——廣義相對論與量子理論之間的矛盾。

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論曾取代了艾薩克·牛頓的經典引力概念，牛頓認為引力是兩個物體間的相互吸引；而愛因斯坦則認為引力的本質是質量或能量彎曲了附近的時空，因而其他質量或能量就會跟隨彎曲的路徑行進，表現得像二者互相吸引一樣。在愛因斯坦的廣義相對論方程中，引力這個量其實就是空間本身，他的理論建立在平滑、連續的經典宇宙之上，因此無論你怎麼放大局部的宇宙，都能看到更小的區域，理論也都不會失效。（參考：為什麼太陽會拉住地球？廣義相對論說，引力原來是一種錯覺）

但量子理論告訴我們，宇宙並不是連續的，它由小單元組成。難道是相對論存在錯誤嗎？

質疑是必要的，不過還得拿出有說服力的證據才行。畢竟廣義相對論已多次通過了“考核”，即使是愛因斯坦時代都沒能想到的測驗，相對論依然精準無誤地通過了。

除了黑洞、中子星，或者地球附近的時間膨脹等現象外，廣義相對論還預言了天體光譜受引力產生

紅移和藍移。光譜變化的原因是因為引力可以扭曲光線，從引力場中逃逸（遠離黑洞）時恆星光譜發生紅移，波長變長；接近引力場時恆星的光譜則發生藍移，波長變短。這個現象類似救護車駛進我們跟駛離我們過程中，警報聲會發生變化的現象類似（這個是多普勒效應）。

1995–2017年間共16年間，加州大學洛杉磯分校的研究者們，對銀河核心的超大質量黑洞“射手座A *”（縮寫為Sgr A *）與其附近的一顆恆星“S0-2”進行了持續觀測。他們使用位於夏威夷的凱克天文臺、雙子座天文臺與斯巴魯望遠鏡，成功地追蹤了S0-2的完整3D軌道。結合了前人24年的觀測數據，這些天文學家發現S0-2的在超大黑洞附近移動造成的光譜變化，與廣義相對論一致。

要知道早在廣義相對論發表後的一個月後，就由德國天文學家卡爾·史瓦西通過方程的一個精確解而提出“黑洞”猜想。而後的幾十年間，“黑洞”一直作為理論存在。直到2015年9月，LIGO引力波天文臺才觀測到“黑洞”存在的間接證據。2019年4月，就是今年上半年，才由“事件視界望遠鏡”項目的科學家發表了M87星系中心黑洞的直接觀察影像。一百年前的理論完美解釋一百年後的實驗觀測結果，可見廣義相對論的超前預見性。

被孤立的引力

儘管如此，大部分物理學家仍對廣義相對論持悲觀態度，認為它遲早會崩潰，原因是真實的宇宙並不是光滑、連續的，而是粗糙、離散的。巨大的星球天體，終歸是由一個個的原子（或者說電子和夸克）組成。這些粒子通過交換另一類粒子而產生排斥力和吸引力的效果，從而彼此分離或聚集。

與此同時，“標準模型”近乎完美地描述了這些最小的物質粒子，以及能量和物質之間的相互作用。該理論包含24種費米子與5種玻色子，其中費米子分為夸克（反夸克）和輕子（反輕子），由它們組成物質；玻色子則產生物質間的相互作用（三大基本力）。比如電磁力，根據量子理論是由物質粒子間交換稱為“虛光子”的粒子所產生的。我們把冰箱貼貼在冰箱上，可以描述為平滑的經典磁場的作用，但這磁場的精細結構卻是由粒子來產生的。但標準模型理論並不完整，它還不能解釋

引力、暗物質與暗能量。數數宇宙的四大基本力（引力、電磁力、強力和弱力），作為“小一統”理論的標準模型唯獨沒能給出引力的量子描述。

儘管還存在很多未證實的引力理論，但目前為止沒人知道引力場從何而來，也不知道是由什麼粒子在裡面起作用。

前面提到，相對論認為把我們固定在地面上的力量，來自於扭曲的空間本身。而在量子理論中，空間往往被當作一塊平直的幕布，用來衡量粒子運動的速度和距離。為什麼忽略了空間的扭曲呢？因為在粒子的尺度下，引力的影響真的是小得可憐，普遍認為強相互作用力是引力的1E39倍，電磁力是引力的1E37倍。舉個不太恰當的例子，開蘭博基尼、戴百達翡麗的小夥，吃煎餅果子不會介意多加個雞蛋的錢。微觀粒子也幾乎不計較引力作用。當引力太弱，可以認為時空是平直的，要大到天體的程度，時空扭曲才足夠明顯。對粒子而言，即使物理學家想計算那微弱的扭曲，數學上又存在問題，無法給出有意義的結果。

沒法計算曲率可能造成嚴重問題，一般情況引力可以忽略，但在大質量或能量的周圍（如黑洞）的情況，空間會變得非常扭曲，引力對粒子的影響將不可忽略，遺憾的是我們並不知道合適的數學方法去計算。

新的引力解釋

“圈量子引力”理論，為了使空間（引力）與微觀粒子結合起來，將時空打碎成一個個不可再分的小碎片，讓碎片構成了時空最基本的形貌。這個理論定義了宇宙最小的長度和最短的時間，也產生了一個證明實驗。圈量子引力理論，預言不同波長的光的速度或有極小的差異，遺憾的時並未觀察到這種差異，不過該理論仍在繼續發展和完善。

“弦理論”是另一種普適模型，它採取類似纖維一樣的“弦”替代標準模型中的5種玻色子，來進行物質間的交換，實現相互作用力。用“弦”而不是“點”來描述基本機構，使該理論獲得了實質可用的數學模型。這份改變看上去簡單，卻能產生很多改變，其中一個好處是“有關引力的計算不會只產生無意義的解”。此外，弦理論的研究者談到一個觀點，“即使愛因斯坦或同時代的人從未發現廣義相對論，後人也會從弦理論的研究中發現它，這非常神奇”。弦理論學家幾十年來已經富有成效地進行框架的構建，近期也發現了進一步發展的方向。

對空間的固有概念可能束縛了我們對宇宙基本結構的認知。“旁觀者清，局內者迷”，正因為我們生活在空間中，並以有限的感官能力形成了固有認識，可能很難認識一些事物的本質。比如我們一度認為“熱”像一股流體，從溫暖的房間流入寒冷的房間，但直到發現了分子，才明白“熱”其實是空氣分子在我們身上撞擊的動能轉化所呈現的宏觀現象。所以我們也可以猜想空間（引力）也可能是某種微觀實質的宏觀表現，弦理論或許能揭示空間中的每一點到底發生了什麼。

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這些物理前沿理論比課本上可要新奇得多，其實一定程度上也反映了物理界的無奈。物理學家繼續在各自的理論中解決實質性的數學問題，彷彿忘記了物理畢竟不是哲學，而是一門實驗科學，但他們也有苦難言。

幾千年來，物理理論的創立無不是建立在大量的實驗基礎上，阿基米德、伽利略、牛頓、法拉第、盧瑟福等先賢都是如此。但從上個世紀開始，物理理論的發展就遠遠超過實驗物理的步伐。開創理論需要若干顆天才的大腦的冥思苦想；而要驗證這些理論就更難了，可能窮盡了地球的資源也不夠用，這就導致“巧婦難為無米之炊”的理論學家只得擁抱數學，彷彿整日在虛幻中搞研究一樣。但願天體物理的觀測、太空探測器和粒子加速器能夠早日為“萬有理論”的選擇提供強有力的數據支持，使物理學的發展走上正反饋的道路。