广义相对论有什么缺陷？这3个引力理论最终有望取代它

广义相对论有什么缺陷？这3个引力理论最终有望取代它

在17世纪，牛顿发现了万有引力定律。根据牛顿引力理论，控制天体运动的力和让苹果掉到地上的力都是引力。引力无处不在，只要物体有质量，它们之间就会产生引力作用。

牛顿引力理论的缺陷

虽然万有引力定律在很多时候非常有效，它甚至还准确预言了海王星的存在，但却无法完美解释一种天文现象——水星轨道近日点的反常进动。如果以太阳为静止参照系，无论行星转了几圈，我们都会认为它们的公转轨道一直都是重合的椭圆形。但现实中并非如此，尤其是对于水星来说。

水星轨道近日点的进动

由于岁差、太阳非球体以及其他行星引力摄动的影响，行星的每个公转轨道近日点不是重合的，而是会不断发生变化，这就是近日点进动现象。近日点进动在水星上最为明显，观测值为每100年进动大约5600角秒。然而，根据牛顿引力理论，水星近日点每100年的进动值比观测值少了43角秒。虽然差距不大，但已经表明万有引力定律不是完美的引力理论，它存在缺陷。

爱因斯坦的引力理论

在创立狭义相对论之后，爱因斯坦发现引力不满足洛伦兹协变性，无法纳入相对论框架。经过10年的努力，爱因斯坦创立了新的引力理论——广义相对论。

根据广义相对论，引力的本质其实是物质弯曲时空产生的几何效应。时空本身是平直的，当有物体（或者能量）处于时空中时，时空的结构会被弯曲。在弯曲时空中，物体会沿着测地线运动，从而让我们观测到引力效应。

广义相对论的引力场方程

广义相对论取得了前所未有的成功。这个引力理论被提出来之后，首先就完美地解释了水星进动问题。其次，它还预言了星光经过太阳附近时会被偏转的角度，结果得到了实验的精确证实。不仅如此，广义相对论还预言了宇宙的膨胀、黑洞、引力波、引力透镜效应等现象，它们最终也被相继观测到，与理论完美契合。

广义相对论不是终极引力理论

迄今为止，广义相对论是人类目前最好的引力理论。尽管如此，物理学家知道广义相对论不是终极引力理论，因为它也存在缺陷。

广义相对论存在奇点问题，无论是黑洞的中心，还是宇宙的最初时刻，都是广义相对论无法描述的奇点状态。这一切都因为广义相对论无法量子化，与量子力学不兼容。

根据广义相对论，行星、恒星和星系等宏观天体都是以连续的方式相互作用，引力本身是一种连续作用。然而，在量子力学中，空间、物质、能量和相互作用，这一切都是量子化的。描述宏观和微观的理论无法统一，这表明还有比广义相对论更加终极的引力理论，它既能描述宏观天体的运动，也能描述微观粒子的行为。

为此，物理学家正在尝试发展量子引力理论，目前最为成功的模型主要包括以下3种：

（1）弦理论

在弦理论中，基本粒子都不“基本”，它们其实是由更基本的一维能量弦组成。一维弦的各种振动方式表现出不同行为，构成了我们所知的各种粒子。

弦理论在数学上是自洽的，它被认为是最有希望的量子引力理论。不过，目前没有任何实验能够证实弦理论。因为实验所需的能量级别太高，人类还没有足够强大的粒子加速。

（2）圈量子引力理论

根据圈量子引力理论，引力是由称为量子的“粒子”组成。但这些粒子不像光子、电子或者夸克，它们是时空本身的基础。我们所感知的空间实际上是一系列量子，而我们所感知到的时间是一系列量子在演化。

（3）熵力理论

这是最近几年才发展起来的引力理论，根据这一理论，引力在本质上是熵力，而非基本力。物体之间全息表面的熵发生变化后，会改变系统的能量，引力则是熵增效应所引起的一种统计学现象。在近似的情况下，熵力理论可以分别退化成广义相对论和万有引力定律。

总结

虽然广义相对论存在缺陷，它肯定不是终极引力理论，但没有人知道取代广义相对论的哪个量子引力理论是正确的，或者没有一个是正确的。目前的一个大问题是很难找到量子引力理论的实验证据，但很难并不意味着不可能。新一代的粒子加速被寄予了厚望，我们需要更高的能量级别来测试量子引力理论。