为什么地心引力不同于其他力
物理学家已经追踪到自然界四种力中的三种-电磁力和强核力和弱核力-可以追溯到它们起源于量子粒子。但是第四个基本力，重力，是不同的。
我们目前理解引力的框架是由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在一个世纪前设计的，它告诉我们，苹果是从树上掉下来的，而行星围绕恒星运行，因为它们在时空连续体中沿着曲线移动。这些曲线是重力。根据爱因斯坦的说法，重力是时空媒介的一个特征；其他自然力都在那个舞台上发挥作用。
但是在黑洞中心附近，或者在宇宙的最初时刻，爱因斯坦的方程式就破裂了。物理学家需要更真实的引力图像来准确描述这些极端情况。这一更真实的理论必须做出与爱因斯坦方程式在其他任何地方所做的预测相同的预测。
物理学家认为，在这个更真实的理论中，重力必须像其他自然力一样具有量子形式。自20世纪30年代以来，研究人员一直在寻求引力的量子理论。他们已经找到了候选的想法-特别是弦理论，该理论认为重力和所有其他现象都是由微小的振动弦产生的-但到目前为止，这些可能性仍然是推测的，还没有完全理解。建立起作用的量子引力理论可能是当今物理学最崇高的目标。
是什么让重力独一无二呢？第四种力有什么不同，使研究人员无法找到其潜在的量子描述？我们询问了四位不同的量子引力研究人员。我们有四个不同的答案。
伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的理论物理学家克劳迪娅·德·拉姆(Claudia De Rham)一直致力于质量引力理论的研究，该理论假设量化的重力单位是质量粒子：
爱因斯坦的广义相对论正确地描述了近30个数量级的引力行为，从亚毫米尺度一直到宇宙距离。没有其他的自然力被如此精确地描述过，而且描述的尺度如此之多。有了与实验和观测完美一致的水平，广义相对论似乎提供了对引力的终极描述。然而，广义相对论的不同寻常之处在于它预言了自己的衰落。
广义相对论给出了关于黑洞和宇宙起源的大爆炸的预言。然而，这些地方的“奇点”，即时空曲率似乎变得无限的神秘点，充当着广义相对论崩溃的旗帜。当人们接近黑洞中心的奇点或大爆炸奇点时，从广义相对论中推断出来的预测就不再提供正确的答案。对空间和时间的更基本、更基本的描述应该取而代之。如果我们揭开这一新的物理层，我们也许能够实现对空间和时间本身的新理解。
如果重力是自然界的任何其他力量，我们可以希望通过能够达到更大能量和更小距离的工程实验来更深入地研究它。但是重力不是普通的力。试图把它推到某个点之后才揭开它的秘密，实验仪器本身就会坍塌成一个黑洞。
麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology)量子引力理论家丹尼尔·哈洛(Daniel Harlow)以将量子信息理论应用于引力和黑洞研究而闻名：
黑洞是引力和量子力学难以结合的原因。黑洞只能是重力的结果，因为引力是所有物质唯一能感觉到的力。如果有任何类型的粒子没有感觉到重力，我们可以用那个粒子从黑洞内部发出信息，所以它实际上不会是黑色的。
所有物质都感觉到引力的事实对可能的实验类型带来了限制：无论你建造什么仪器，无论它是由什么组成的，它都不能太重，否则它必然会在引力的作用下坍塌成一个黑洞。但这个限制在日常情况下并不相关，但如果你试图构建一个实验来测量重力的量子力学属性，它就变得至关重要。
我们对其他自然力的理解是建立在局部性原则的基础上的，即描述空间中每个点发生的事情的变量-例如那里的电场强度-都可以独立变化。而且，这些我们称之为“自由度”的变量只能直接影响它们的近邻。局部性对我们目前描述粒子及其相互作用的方式很重要，因为它保留了因果关系：如果马萨诸塞州剑桥市的自由度取决于旧金山的自由度，我们或许能够利用这种依赖性来实现两个城市之间的即时交流，甚至将信息及时向后发送，从而可能违反因果关系。
局部性假设在普通环境中已经得到了很好的测试，似乎很自然地假设它延伸到与量子重力相关的非常短的距离(这些距离很小，因为重力比其他力弱得多)。要确认局部性在这些距离尺度上持续存在，我们需要建造一种能够测试被如此小距离隔开的自由度的独立性的仪器。然而，一个简单的计算表明，一个足够重的设备，如果足够重，可以避免其位置上的巨大量子波动，这将毁掉实验，那么它也一定会足够重，足以坍塌成黑洞！因此，在这种规模上进行实验确认局部性是不可能的。因此，量子引力不需要在这样的长度尺度上考虑局域性。
事实上，到目前为止，我们对黑洞的理解表明，任何量子引力理论的自由度都应该比我们根据对其他力的经验所预期的要少得多。这个想法被编纂在“全息原理”中，粗略地说，空间区域中的自由度数与其表面积成正比，而不是与其体积成正比。
新泽西州普林斯顿高级研究所(Institute For Advanced Study)的量子引力理论家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)最出名的是发现了引力和量子力学之间的全息图关系：
粒子可以表现出许多有趣和令人惊讶的现象。我们可以自发地产生粒子，在相隔很远的粒子的状态之间纠缠，以及在多个位置叠加存在的粒子。
在量子引力中，时空本身的行为方式很新奇。我们拥有的不是粒子的创造，而是宇宙的创造。纠缠被认为在遥远的时空区域之间建立了联系。我们有不同时空几何的宇宙叠加。
此外，从粒子物理学的角度来看，空间真空是一个复杂的物体。我们可以想象许多被称为场的实体，它们相互叠加，延伸到整个空间。每个场的值都在短距离内不断波动，在这些波动的场及其相互作用中，真空状态就出现了。粒子在这种真空状态下是扰动。我们可以把它们想象成真空结构中的小缺陷。
当我们考虑重力时，我们发现宇宙的膨胀似乎无中生有地产生了更多的真空物质。当时空被创造时，它恰好处于与真空相对应的状态，没有任何缺陷。真空是如何以正确的排列出现的，这是我们需要回答的主要问题之一，以获得对黑洞和宇宙学的一致的量子描述。在这两种情况下，都有一种时空的伸展，导致产生更多的真空物质。
塞拉·克雷莫尼尼(Sera Cremonini)是利哈伊大学(Lehigh University)的理论物理学家，从事弦理论、量子引力和宇宙学的研究：
重力之所以特殊，原因有很多。让我把重点放在一个方面，即爱因斯坦广义相对论的量子版本是“不可重整化的”。这对高能时的重力行为有一定的影响。
在量子理论中，当你试图计算非常高能的粒子如何相互散射和相互作用时，就会出现无限项。在可重整化的理论中-包括描述除重力之外的所有自然力的理论-我们可以通过适当地添加其他有效地抵消它们的量，即所谓的反项，以严格的方式消除这些无穷大。这个重整化过程产生了物理上合理的答案，这些答案与实验相符，具有非常高的精确度。
量子版广义相对论的问题在于，描述高能引力子相互作用的计算--引力的量子化单位--会有无限多的无穷多项。在一个永无止境的过程中，您需要添加无限多个对立项。重整化将失败。正因为如此，爱因斯坦广义相对论的量子版本不能很好地描述高能引力。它一定是缺少了重力的一些关键特征和成分。
然而，我们仍然可以使用自然界中其他相互作用的标准量子技术，在较低的能量下完美地近似描述重力。关键的一点是，这种对重力的近似描述将在某个能量尺度上崩溃--或者等同地，在某个长度以下。
在这个能量标度之上，或者在相关的长度标度之下，我们期望发现新的自由度和新的对称性。为了准确捕捉这些特征，我们需要一个新的理论框架。这正是弦理论或一些适当的推广的用武之地：根据弦理论，在很短的距离内，我们会看到引力子和其他粒子是延伸的物体，称为弦。研究这种可能性可以给我们提供关于引力量子行为的宝贵经验。