物理學(xué)是一門通過數(shù)學(xué)語言來描述自然和預(yù)測自然的科學(xué)，它的特點是準(zhǔn)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(xiàn)象的認識，同時，物理學(xué)也揭示了在各種現(xiàn)象以下，自然界有著統(tǒng)一的本質(zhì)。正如詩句所說：“危險的事固然美麗，不如看她騎馬歸來?！迸c數(shù)學(xué)研究可以脫離自然界的束縛不同，物理學(xué)不僅要在形式上簡潔優(yōu)美，最重要的是一切理論都需要通過實驗的檢驗才能成立。在物理學(xué)的發(fā)展歷史中，曾出現(xiàn)過對于同一個現(xiàn)象的描述出現(xiàn)兩種截然不同的物理理論與相對應(yīng)數(shù)學(xué)形式而相互僵持不下的情況，就是因為當(dāng)時人們對于自然界的認識還不夠深入，而每一個矛盾的解決，往往就是一個物理學(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(jì)與20世紀(jì)之交，當(dāng)有些科學(xué)家開始沾沾自喜地以為人類已經(jīng)認識到了自然界的一切規(guī)則時，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輻射的物體）輻射問題的研究卻陷入了一個兩難的尷尬境地?？茖W(xué)家們根據(jù)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(xiàn)了兩種截然不同的計算形式。一種尷尬的情況出現(xiàn)了，兩種理論、兩個公式與實驗結(jié)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(xiàn)了“分頻率而治”的現(xiàn)象。物理學(xué)追求完整、統(tǒng)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解釋一個現(xiàn)象。這個困境終于被富有開創(chuàng)性的物理學(xué)家馬克斯·普朗克（Max Planck）打破。他首先使用數(shù)學(xué)手段在數(shù)學(xué)形式上統(tǒng)一了兩個互不相容的公式，之后通過仔細研究公式的形式發(fā)現(xiàn)，為了能夠在理論上解釋這個新的符合實際測量結(jié)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(xù)不斷的形式，而是以“一份一份”的形式被輻射出來，這正是“量子”概念的由來，也由此開創(chuàng)了量子力學(xué)的時代，人類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)還沒有完全理解，但是毫無疑問，量子力學(xué)早就主宰了微觀領(lǐng)域的物理學(xué)，經(jīng)過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)的公式進行計算，可以說，沒有量子力學(xué)，就沒有現(xiàn)代文明。與量子力學(xué)幾乎同時發(fā)展起來的廣義相對論，稱得上是現(xiàn)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空的性質(zhì)，它由愛因斯坦創(chuàng)立，幾乎同時與量子力學(xué)發(fā)展起來，人們通過廣義相對論來理解宇宙。
物理學(xué)家馬克斯·普朗克
如今通過量子力學(xué)和廣義相對論的描述，人類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)，從微觀到宏觀，現(xiàn)代物理學(xué)的這兩大支柱，幾乎可以解釋人們現(xiàn)在所觀察到的一切自然現(xiàn)象。但是事實遠沒有看上去的那么美，物理學(xué)的這兩大支柱各自主宰了微觀和宏觀領(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。盡管無數(shù)一流的物理學(xué)家試圖解決這個難題，但經(jīng)過了80多年的努力，現(xiàn)在人們對于這個困境還是一籌莫展，不知如何是好。
這兩個物理學(xué)的基本理論都具有復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式，經(jīng)過了100多年，無數(shù)實驗的檢測，這兩個理論都在各自的領(lǐng)域里表現(xiàn)出了驚人的準(zhǔn)確性和預(yù)見性。但是這兩個凝結(jié)著人類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(tǒng)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，愛因斯坦就曾經(jīng)指出，為了與廣義相對論相統(tǒng)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候認為可以把電磁力與引力相類比，因此量子力學(xué)與廣義相對論的結(jié)合并不會花費太大力氣，科學(xué)家們很容易地實現(xiàn)了對電磁場的量子化，他們認為對于引力也可以如法炮制。著名的物理學(xué)家海森堡和泡利在1929年就曾寫道：“人們應(yīng)該注意到，對于引力的量子化應(yīng)該不會有任何困難，就如同我們對于電磁場的量子化?！?/p>
但是過于放松的物理學(xué)家們沒過多久就意識到了他們之前的估計太過樂觀。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講述質(zhì)量、能量和時空的關(guān)系來描述第四種相互作用——引力。這兩種理論存著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，在微觀世界中，時空只是平坦的背景，由于測不準(zhǔn)原理，物理量通常并不具有精確的大小和方向。這兩個理論不僅在數(shù)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根本差異，這個根深蒂固的矛盾與在科學(xué)哲學(xué)層面上的分歧，遠遠大于一個多世紀(jì)之前人們對于黑體輻射問題的不同理論解釋之間的差異，成為當(dāng)代物理學(xué)一個令人頗為尷尬的現(xiàn)象：兩個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(xiàn)出合理性，當(dāng)人們試圖把它們統(tǒng)一起來時卻又顯得荒謬，就連在數(shù)學(xué)形式上都很難做到表面上的統(tǒng)一。
如今人們寬泛地把可以結(jié)合量子理論與廣義相對論的理論稱為“量子引力”理論，可惜的是，經(jīng)過了80多年的努力，人們還沒有找到一個完整的，可以自圓其說的量子引力理論。因此，量子力學(xué)與廣義相對論的結(jié)合就成了如今物理學(xué)的“圣杯”，無論如何，這兩個基本物理學(xué)理論的結(jié)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(shù)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，還有對未來物理學(xué)發(fā)展方向的迷茫。幾十年來，很多種理論、假說被提出來，希望可以結(jié)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驗證據(jù)，因此還只能停留在漂亮的假說階段。假說之所以難以被驗證，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空尺度上，這種尺度被稱為普朗克尺度，普朗克尺度中的長度被稱為普朗克長度，只有1.616×10-35米，這個長度被認為是時空中長度的最小單位，如果拿普朗克長度與一個原子相類比，就相當(dāng)于拿一個原子與整個太陽系做類比！這個長度遠小于目前人類可以測量的范圍，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)講究所有的假說都需要實驗的驗證，因此對于目前這個物理學(xué)最大的難題，科學(xué)家們?nèi)匀伙@得束手無策。
引力究竟是一種量子化現(xiàn)象，還是時空自身的性質(zhì)？為何引力如此特殊，不能與其他幾種相互作用統(tǒng)一起來？為什么對于不同的尺度需要有兩套理論來解釋，尺度的變化對于物理學(xué)又意味著什么？這都有待于還在建設(shè)中的量子引力理論提出解釋，更重要的是，盡早使各個理論得到實驗的驗證?？茖W(xué)家們理想中的量子引力理論將這兩個存在深刻矛盾的理論合二為一，彼時人們對于時空、物質(zhì)、能量以及因果性的認識必將進一步加深?？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空的微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)量子力學(xué)，在普朗克尺度上，在極小的空間里又蘊含著極大的能量，這便形成了一個個微小的黑洞，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失效？這些問題令科學(xué)家們無法回答同時也無法回避。
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(xiàn)有技術(shù)條件下檢測量子引力理論，他們提出了一個實驗方案，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，通過激光脈沖測量一個粒子的位置和速度，來檢驗量子力學(xué)的測不準(zhǔn)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。盡管只是提出了一個實驗的構(gòu)想，但是這標(biāo)志著科學(xué)家們已經(jīng)不再滿足于種種理論假說，而希望通過實驗手段來彌合兩種物理學(xué)基礎(chǔ)理論的根深蒂固的矛盾。
人們無法預(yù)知物理學(xué)的發(fā)展歷程，無法想象量子力學(xué)與廣義相對論何時，以何種方式可以實現(xiàn)統(tǒng)一，更無法預(yù)知兩種基礎(chǔ)理論在統(tǒng)一之后會給人類對于自然的認識帶來怎樣的改變。對于物理學(xué)的不二法門的探索與思考，正是這門科學(xué)自身的魅力之所在。
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