人们会用量子引力理论做什么？

Question

我通常想知道，考虑到即使使用标准的非相对论性静电QM，如果要计算含有2个以上粒子的系统的任何东西，比如忽略量子效应、忽略对相互作用，人们通常也必须使用令人不满意的粗糙近似，新的更具野心的理论会有多有用，假设基态或猜测一些交换相关势。

最近我想知道：与计算的复杂性无关，对于哪种系统量子引力理论真的需要吗？

如果我们想描述量子粒子通过重力极其微弱地相互作用，那么具有静态牛顿势的量子力学应该会产生完美的结果。如果我们想描述由粒子分配产生的更强的引力作用，我们应该离它们足够远，忽略它们的量子性质。如果我们想描述一个靠近黑洞的粒子，在弯曲的时空中进行QM就足够了，因此不需要对重力本身进行量化。也许中子星中的QCD是一个用例？但是，弯曲时空中是否也存在QM，因为中子星上单个QM粒子的引力倒退应该可以忽略不计？也许如果我们想描述具有宏观质量的奇异量子粒子，也许是某种高能光子，但这样的粒子真的存在吗？它们在我们的宇宙中扮演着重要的角色吗？

我理解，人们可能希望对暗物质或暗能量问题有一些见解。但是，量子引力的构造理论不应该在远距离复制广义相对论，从而产生相同的暗物质和暗能量问题吗？换言之，要使广义相对论与量子力学一起工作，人们需要在小距离上修改理论，但要解决暗物质和暗能量问题，就需要在大距离上修改？

因此：为了描述什么样的系统，人们实际上需要量子引力理论？

Answer 1

两个标准答案是：

• 解决大爆炸的奇点
• 解决黑洞中的奇异性

这两者在非常小的区域内都具有较大的空间曲率。

Answer 2

假设你有一个电子在两个可测量的不同位置的叠加。电子有质量，所以它与引力场相互作用，那么在这种情况下引力场是什么样子的呢？这样的情况很常见，所以在某种意义上，想要一个量子引力理论是有一个共同的动机的。

实际上，重力非常微弱，所以在许多情况下，重力量化的任何影响都会被其他影响冲掉。例如，电子与电磁场的相互作用比与引力场的相互作用更强烈。

然而，已经提出了一些间接测试重力是否量化的实验。基本思想是把两个质量放在一个叠加状态，让它们在引力作用下相互作用。如果引力场是量子化的，而来自其他来源的退相干足够弱，那么它们最终会陷入纠缠，否则它们不会：

https://arxiv.org/abs/1803.09124

https://arxiv.org/abs/2309.16312

https://arxiv.org/abs/2012.06230

Answer 3

我理解，人们可能希望对暗物质或暗能量问题有一些见解。但是，量子引力的构造理论不应该在远距离复制广义相对论，从而产生相同的暗物质和暗能量问题吗？换言之，要使广义相对论与量子力学一起工作，人们需要在小距离上修改理论，但要解决暗物质和暗能量问题，就需要在大距离上修改？

不一定。暗物质将通过寻找额外粒子/场存在的证据来解决，这些粒子/场与已知的标准模型几乎没有相互作用。这就其本质而言，是对我们对自然的理解的一种短程修正。我们当前理解的许多UV扩展（如弦理论）也预测了许多额外的场。

暗能量也是如此。真空能量的存在与体积成比例并不是真正的谜。几乎所有的量子场论都预言了这一点。真正的谜团是为什么这个真空能量如此之小？期望UV完成标准模型+重力来回答这个问题并非不合理。

如果我们想描述一个靠近黑洞的粒子，在弯曲的时空中进行QM就足够了，因此不需要对重力本身进行量化。

目前还不清楚情况是否如此。围绕黑洞信息悖论的各种结果指出，我们将不得不放弃对自然如何运作的一些假设。其中之一可能是，半经典引力描述在地平线尺度上是有效的（其他描述包括放弃单位性、局部性或其他昂贵的东西）。

Answer 4

第一种情况更多的是“类似粒子物理的方法”。我们只想了解事物是由什么组成的，这涉及到更大的能量尺度。普朗克尺度当然涉及量子引力，我们想了解其中的含义。我想说，这是一个好奇的问题，而不是必然的。此外，有很多人希望量子引力可以带来关于更普遍发生的事情的信息：全息原理引入了对万物熵含量的限制（这是一种非引力可观测的），一些量子引力方法的自由参数可能比标准模型少，一些与量子引力有关的想法（如薛定谔-牛顿方程）试图解释经典世界与量子力学的区别，这一列表还在继续。

一个更直接的答案是考虑量子引力对描述相关物理是绝对必要的情况。这些将在黑洞奇点附近，在非常早期的宇宙中。在这种情况下，对于弯曲时空中的量子场论来说，尺度太小了，没有意义；对于作为有效场论的引力来说，能量太大了，没有用处；对于任何牛顿方法来说，曲率太大了。这些限制很有趣，因为它们让我们更深入地了解黑洞的真正行为，信息是否因黑洞蒸发而丢失，以及一切是如何开始的。特别是，量子引力有望摆脱广义相对论的奇异性，因此，也许量子引力会改变我们对宇宙大爆炸的看法，产生不同的结果，比如大反弹。

Answer 5

目前，量子引力理论（或引力与量子物理相结合的理论）的概念需求在很大程度上是由于我们不知道重力对不同质量分布的叠加起什么作用。我们知道重力对经典质量分布的反应；爱因斯坦的场方程允许我们计算时空的曲率。但当我们引入量子物理时，我们可以想象不同质量分布的叠加。例如，想象一个巨大的物体在两个不同的位置重叠：$$|\psi\rangle=|M（x_1）\rangle\alpha+|M（x2）\rangle\beta$$重力是以二者的平均值工作，还是导致时空与物体纠缠？已经有一些建议，有几个人正在解决这个问题。

Answer 6

你又发现了一个有点尴尬的事实：即使有一天我们做发现正确的量子引力理论，和我们开发了比现在更精确的实验设备，那么我们仍然有可能（甚至有可能）永远无法通过实验验证这个理论。

正如其他答案所指出的，唯一已知的量子引力存在的系统一定地重要的是大爆炸和黑洞中心的奇点。这两个系统都无法通过受控实验直接访问：宇宙大爆炸已经完成，黑洞中的奇点很可能无法直接进行实验，即使在原则上，如果宇宙审查假说是真的。（还有一个实际问题是，所有现有的黑洞都离我们非常非常远。但原则上，这个问题可以通过前往现有黑洞或在附近创建新的黑洞来解决。）

当然有一些量子引力理论确实有实验特征，可以在更平淡、更容易接近的环境中检测到。但是（虽然这个问题一定有点哲学性）我不明白为什么这些理论是可能的说实话。如果他们是，那么从某种意义上说，我们会很幸运。

当然，如果我们的实验设备（和定量建模能力）真正地如果在遥远的将来是准确的，那么我们大概可以在实验数据的第35个重要数字中的某个地方，甚至在“温和”的情况下，检测出最终量子引力理论偏离标准模型对经典弯曲时空（加上我们之前发现的任何新物理）的预测的偏差时空区域，比如黑洞的外部。但至少可以说，我们的技术还远不能确定是否能达到这一能力。

正如肖恩·卡罗尔经常指出的那样：就我们所知，弯曲经典时空的标准模型是一个惊人地良好的理论难以置信地广泛的适用范围，即使它不太适用每一个物理状态。

Answer 7

我想要一台反重力机器。当我们得到一个可行的量子引力理论时，我希望它很好地告诉我，我不能拥有这台机器；不过，如果它能让我们了解如何构建它，那就太好了。

Answer 8

其他人则从理论成果方面作出了回答。但也可能有实际的技术效益。

他们会是什么？谁知道呢？早期的量子力学研究人员是否能够预见到依赖于理解亚原子世界本质的激光、晶体管和其他现代技术？即使激光器和晶体管是唯一的受益者，想想这两个因素在多大程度上取决于它们——微型计算机和微型计算机（以及所有包含计算机的设备）如果没有晶体管就不可能存在，而高速光通信则依赖于激光器。

科学和数学史上充满了理论发现的例子，最初似乎没有什么实际应用，但最终被发现是有用的，有时是非常重要的（爱因斯坦将四维流形的拓扑理论应用于广义相对论）。但如果我们不研究这个理论，我们永远不会知道。

Answer 9

我建议你看看Oriti对QG元矩阵Bronstein超立方体的讨论立方体的不同顶点对应于一个人根据所考虑的粒子数量、相互作用的强度、场的包含等得到的目标理论。我在下面复制了论文的摘要：

我们主张在“量子化GR”的基础上扩大量子引力的传统观点，明确包括几个现代量子引力方法（和一些半经典论点）所建议的基本构造块的非时空性质，并更多地关注连续时空和几何从它们的集体动力学中出现的问题。我们还讨论了量子引力研究的一些最新进展，旨在在群场理论、随机张量模型、单纯量子引力、圈量子引力、自旋泡沫模型的背景下实现这些想法。

Answer 10

需要QG的一系列领域：

• 原始宇宙学

• 黑洞奇点

• 时间机器和快速超轻型旅行的发展（或找到一个否定定理）。

• 操纵反重力装置的负能量（或找到一个反对宏观使用这些装置的no-go定理）

• 构建最大功能的计算设备（黑洞计算机）

Answer 11

有人提到引力子吗？QG将展示这一基本力量。然后将GR的极限描述为标准模型基本粒子离散性的几何图形。木材和大理石的结合。