除了广义相对论，现在还有哪些流行的引力理论？
除了广义相对论，引力还有哪些新故事？
广义相对论无疑是描述引力这只“巨手”的最成功理论，它解释了行星运行的轨道、黑洞的诞生，甚至宇宙膨胀的壮丽图景。然而，物理学家的好奇心从不停止，他们总是在寻找更深层次的理解，去弥合广义相对论在量子世界中的尴尬，或者解释一些广义相对论难以触及的宇宙现象。因此，除了那只广为人知的“巨手”，引力领域还有不少其他有趣的理论在被探索和讨论着。
1. 量子引力理论：让引力也“量子化”
广义相对论是经典的宏观理论，而描述微观世界的量子力学却和它“八字不合”。想象一下，你试图用宏观尺度的台球桌来描述电子的跳跃，这中间的隔阂是巨大的。目前的量子理论，比如电磁力、强核力和弱核力，都有了成功的量子描述（量子场论）。那么，引力能不能也像其他力一样，被“量子化”，拥有自己的基本粒子——引力子（graviton）呢？
这就是量子引力理论所要解决的核心问题。它不是一个单一的理论，而是一个庞大的研究领域，汇集了许多不同的尝试。
弦理论（String Theory）: 这是目前最受关注的量子引力候选者之一。弦理论认为，构成宇宙万物的基本单元不再是点状的粒子，而是极其微小的、一维的“弦”。这些弦以不同的方式振动，从而表现出不同的基本粒子，包括电子、光子，当然，也包括引力子。弦理论的迷人之处在于，它自然地包含了引力子，并且能够统一描述所有基本力。然而，它需要额外的空间维度（通常是10维或11维），以及其数学框架极其复杂，至今仍缺乏直接的实验证据来验证。我们可以把它想象成一个庞大的数学乐高积木盒，可以搭建出很多美妙的宇宙结构，但我们还没有找到那个关键的积木来真正“拼出”现实。
圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）: 与弦理论的“叠加”思路不同，圈量子引力走的是另一条路。它尝试直接从广义相对论的几何语言出发，对其进行“量子化”。它的核心思想是，空间本身不是连续的，而是由离散的“量子环”（loop）组成的，这些环像一个个微小的“像素”构成了我们感受到的时空。在这种理论中，引力不再是时空的弯曲，而是由这些离散的空间量子引起的“涨落”。LQG 提供了一个非常直观的图景，比如黑洞的奇点可能会被这些离散的空间结构所“平滑”掉，从而避免无限的密度。然而，目前LQG 在将量子时空“平滑”回我们熟悉的连续时空方面，仍然面临着巨大的挑战。
这两个是目前最主流的量子引力研究方向，但它们各自有着自己的挑战，并且在宇宙学尺度上，它们对广义相对论的修正通常非常微小，难以被我们现有的观测能力捕捉到。
2. 修改引力理论：不改变广义相对论本身，但修改它的“方程”
另一种思路是，也许广义相对论本身没有错，只是在非常特殊的条件下，比如在极其广阔的宇宙尺度上，或者在暗物质、暗能量的领域，广义相对论的方程需要进行一些微小的“修改”或“补充”。这些理论被称为修改引力理论（Modified Gravity Theories）。它们试图在不引入额外粒子或时空维度的情况下，解释一些广义相对论无法解释的现象。
f(R) 引力: 这是最简单直接的一种修改引力理论。在广义相对论中，时空的曲率由爱因斯坦张量（一个复杂的数学量）描述，这个张量被设置为等于时空的物质能量密度（同样是一个数学量）。爱因斯坦方程的核心是 $G_{mu u} = frac{8pi G}{c^4} T_{mu u}$。f(R) 引力就是将这个方程中的曲率项（R是里奇标量，代表时空曲率的一个重要方面）从简单的 $R$ 改为某个关于 $R$ 的函数 $f(R)$。通过精心选择这个函数 $f(R)$，理论上可以模仿暗能量的作用，解释宇宙的加速膨胀，而无需引入暗能量本身。此外，一些 f(R) 引力理论也可以在星系尺度上解释观测到的“暗物质效应”。
张量标量引力理论（TensorScalar Theories of Gravity）: 这类理论引入了一个额外的“标量场”，与描述引力的“张量场”（即时空度规）耦合在一起。这个标量场可以影响引力的强度，并在宇宙演化中扮演重要角色。最著名的例子是BransDicke理论。在这种理论中，引力常数不再是恒定的，而是随这个标量场的波动而变化。通过调整标量场的性质和它与物质的相互作用，这类理论也能在一定程度上解释宇宙学观测。
引力作为一种“涌现”现象的理论: 有些理论认为，我们观察到的引力并非基础性的力，而是从更底层的、微观的“东西”中“涌现”出来的。想象一下，水分子本身没有“流动”的属性，但大量水分子聚集在一起，就能形成宏观上的“河流”和“潮汐”。引力或许也是如此，它可能是由某种更基本的、不可见的“物质”或“信息”在宏观尺度上表现出来的集体行为。这方面的理论目前还处于非常初步的阶段，而且非常抽象，但它们提供了一种完全不同的思考引力的方式。
3. 其他一些有趣的探索方向
除了上述主流理论，还有一些更加前沿或不太为人熟知的探索方向：
非局部引力理论（Nonlocal Gravity）: 在目前的物理理论中，相互作用通常是局部的，也就是说，一个点上的物理量只受其附近点的影响。非局部引力理论则认为，引力的作用可能具有“非局部性”，即一个点上的引力效应可能受到遥远地方的物质分布的影响。这听起来很奇异，但它在数学上也能提供一些解释宇宙现象的可能性。
引力作为一种统计力学现象的理论: 类似熵会从微观粒子的无序运动中涌现出来，一些理论家认为，引力也可能是由大量自由度（比如时空的微小涨落）的统计行为所产生的。
为什么我们需要这些新的理论？
尽管广义相对论在太阳系内部表现完美，但在两个关键领域，它遇到了挑战：
1. 量子世界: 如前所述，广义相对论与量子力学不兼容，尤其是在描述黑洞内部或宇宙大爆炸的极端条件下。
2. 宇宙学尺度上的“谜团”: 观测表明，宇宙中存在着大量我们看不见的“暗物质”和“暗能量”。广义相对论需要引入这两种假想的成分来解释星系旋转速度、宇宙膨胀速率等现象。修改引力理论的动机之一就是，或许“暗物质”或“暗能量”并非真实存在的物质，而是广义相对论在这些大尺度上失效的表现，而新的引力理论能够直接解释这些现象，而无需引入额外的成分。
这些新的引力理论，无论是尝试将引力“量子化”，还是在广义相对论的基础上进行修改，都是科学家们试图更全面、更深刻地理解宇宙运行规律的努力。它们就像不同角度的透镜，试图照亮引力这个宇宙中最 fundamental 的力量的更多面向。虽然很多理论尚未得到直接的实验验证，但它们推动了数学和物理学的发展，并为我们提供了理解宇宙深层奥秘的各种可能性。未来的天文观测和粒子物理实验，将是检验这些理论是否能够“言之有物”的关键。
广义相对论无疑是描述引力这只“巨手”的最成功理论，它解释了行星运行的轨道、黑洞的诞生，甚至宇宙膨胀的壮丽图景。然而，物理学家的好奇心从不停止，他们总是在寻找更深层次的理解，去弥合广义相对论在量子世界中的尴尬，或者解释一些广义相对论难以触及的宇宙现象。因此，除了那只广为人知的“巨手”，引力领域还有不少其他有趣的理论在被探索和讨论着。
1. 量子引力理论：让引力也“量子化”
广义相对论是经典的宏观理论，而描述微观世界的量子力学却和它“八字不合”。想象一下，你试图用宏观尺度的台球桌来描述电子的跳跃，这中间的隔阂是巨大的。目前的量子理论，比如电磁力、强核力和弱核力，都有了成功的量子描述（量子场论）。那么，引力能不能也像其他力一样，被“量子化”，拥有自己的基本粒子——引力子（graviton）呢？
这就是量子引力理论所要解决的核心问题。它不是一个单一的理论，而是一个庞大的研究领域，汇集了许多不同的尝试。
弦理论（String Theory）: 这是目前最受关注的量子引力候选者之一。弦理论认为，构成宇宙万物的基本单元不再是点状的粒子，而是极其微小的、一维的“弦”。这些弦以不同的方式振动，从而表现出不同的基本粒子，包括电子、光子，当然，也包括引力子。弦理论的迷人之处在于，它自然地包含了引力子，并且能够统一描述所有基本力。然而，它需要额外的空间维度（通常是10维或11维），以及其数学框架极其复杂，至今仍缺乏直接的实验证据来验证。我们可以把它想象成一个庞大的数学乐高积木盒，可以搭建出很多美妙的宇宙结构，但我们还没有找到那个关键的积木来真正“拼出”现实。
圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）: 与弦理论的“叠加”思路不同，圈量子引力走的是另一条路。它尝试直接从广义相对论的几何语言出发，对其进行“量子化”。它的核心思想是，空间本身不是连续的，而是由离散的“量子环”（loop）组成的，这些环像一个个微小的“像素”构成了我们感受到的时空。在这种理论中，引力不再是时空的弯曲，而是由这些离散的空间量子引起的“涨落”。LQG 提供了一个非常直观的图景，比如黑洞的奇点可能会被这些离散的空间结构所“平滑”掉，从而避免无限的密度。然而，目前LQG 在将量子时空“平滑”回我们熟悉的连续时空方面，仍然面临着巨大的挑战。
这两个是目前最主流的量子引力研究方向，但它们各自有着自己的挑战，并且在宇宙学尺度上，它们对广义相对论的修正通常非常微小，难以被我们现有的观测能力捕捉到。
2. 修改引力理论：不改变广义相对论本身，但修改它的“方程”
另一种思路是，也许广义相对论本身没有错，只是在非常特殊的条件下，比如在极其广阔的宇宙尺度上，或者在暗物质、暗能量的领域，广义相对论的方程需要进行一些微小的“修改”或“补充”。这些理论被称为修改引力理论（Modified Gravity Theories）。它们试图在不引入额外粒子或时空维度的情况下，解释一些广义相对论无法解释的现象。
f(R) 引力: 这是最简单直接的一种修改引力理论。在广义相对论中，时空的曲率由爱因斯坦张量（一个复杂的数学量）描述，这个张量被设置为等于时空的物质能量密度（同样是一个数学量）。爱因斯坦方程的核心是 $G_{mu u} = frac{8pi G}{c^4} T_{mu u}$。f(R) 引力就是将这个方程中的曲率项（R是里奇标量，代表时空曲率的一个重要方面）从简单的 $R$ 改为某个关于 $R$ 的函数 $f(R)$。通过精心选择这个函数 $f(R)$，理论上可以模仿暗能量的作用，解释宇宙的加速膨胀，而无需引入暗能量本身。此外，一些 f(R) 引力理论也可以在星系尺度上解释观测到的“暗物质效应”。
张量标量引力理论（TensorScalar Theories of Gravity）: 这类理论引入了一个额外的“标量场”，与描述引力的“张量场”（即时空度规）耦合在一起。这个标量场可以影响引力的强度，并在宇宙演化中扮演重要角色。最著名的例子是BransDicke理论。在这种理论中，引力常数不再是恒定的，而是随这个标量场的波动而变化。通过调整标量场的性质和它与物质的相互作用，这类理论也能在一定程度上解释宇宙学观测。
引力作为一种“涌现”现象的理论: 有些理论认为，我们观察到的引力并非基础性的力，而是从更底层的、微观的“东西”中“涌现”出来的。想象一下，水分子本身没有“流动”的属性，但大量水分子聚集在一起，就能形成宏观上的“河流”和“潮汐”。引力或许也是如此，它可能是由某种更基本的、不可见的“物质”或“信息”在宏观尺度上表现出来的集体行为。这方面的理论目前还处于非常初步的阶段，而且非常抽象，但它们提供了一种完全不同的思考引力的方式。
3. 其他一些有趣的探索方向
除了上述主流理论，还有一些更加前沿或不太为人熟知的探索方向：
非局部引力理论（Nonlocal Gravity）: 在目前的物理理论中，相互作用通常是局部的，也就是说，一个点上的物理量只受其附近点的影响。非局部引力理论则认为，引力的作用可能具有“非局部性”，即一个点上的引力效应可能受到遥远地方的物质分布的影响。这听起来很奇异，但它在数学上也能提供一些解释宇宙现象的可能性。
引力作为一种统计力学现象的理论: 类似熵会从微观粒子的无序运动中涌现出来，一些理论家认为，引力也可能是由大量自由度（比如时空的微小涨落）的统计行为所产生的。
为什么我们需要这些新的理论？
尽管广义相对论在太阳系内部表现完美，但在两个关键领域，它遇到了挑战：
1. 量子世界: 如前所述，广义相对论与量子力学不兼容，尤其是在描述黑洞内部或宇宙大爆炸的极端条件下。
2. 宇宙学尺度上的“谜团”: 观测表明，宇宙中存在着大量我们看不见的“暗物质”和“暗能量”。广义相对论需要引入这两种假想的成分来解释星系旋转速度、宇宙膨胀速率等现象。修改引力理论的动机之一就是，或许“暗物质”或“暗能量”并非真实存在的物质，而是广义相对论在这些大尺度上失效的表现，而新的引力理论能够直接解释这些现象，而无需引入额外的成分。
这些新的引力理论，无论是尝试将引力“量子化”，还是在广义相对论的基础上进行修改，都是科学家们试图更全面、更深刻地理解宇宙运行规律的努力。它们就像不同角度的透镜，试图照亮引力这个宇宙中最 fundamental 的力量的更多面向。虽然很多理论尚未得到直接的实验验证，但它们推动了数学和物理学的发展，并为我们提供了理解宇宙深层奥秘的各种可能性。未来的天文观测和粒子物理实验，将是检验这些理论是否能够“言之有物”的关键。
网友意见
以前听过某个教授的讲座，他的研究方向是把芬斯勒几何应用到引力研究中，也取得了一些成就，但问题多多。
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