量子引力是描述对引力场进行量子化的理论。试图把量子力学与广义相对论融合起来，是物理学一个非常重要的探索发展方向。

一、量子引力主流理论框架

(一)超弦理论

1.核心观点：认为宇宙的基本组成单元不是点状粒子，而是一维的“弦”。这些弦的不同振动模式决定了我们所观察到的不同粒子和基本相互作用。 即弦理论认为自然界的基本单元并非点状粒子（如电子、光子、中微子和夸克等），而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。这些弦的不同振动和运动状态产生出各种不同的基本粒子。

2.额外维度：弦论提出了在三维空间的基础上存在额外维度的观点，这些额外维度在某种方式下被紧致化或隐藏起来。

3.引力子：弦的某些特定振动模式对应着引力子，这是传递引力的媒介粒子。

4.物质与能量：

       在弦理论中，能量与物质是可以转化的。弦的不同振动模式对应着不同的粒子和力。

5.弦的尺度：

        弦论中的弦尺度非常小，以至于我们无法直接观测到它们。同时，弦理论还预言了存在尺度较大的薄膜状物体，被称为“膜”。

6.发展历史：

        弦理论的雏形是在1968年由Gabriele Veneziano提出，他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学公式，然后在一本老旧的数学书里找到了有200年之久的欧拉公式，该公式能够成功地描述他所要求解的强作用力。后来，Leonard Susskind等人发现该公式可以描述振动的弦，从而发展出了弦理论。弦理论经历了多次革新，第二次弦论革命后，它成为大统一理论的可能性选项。

7.统一框架：

        弦理论旨在将量子力学和广义相对论统一起来，描述基本粒子和力之间的相互作用。它提出了一个包含额外维的时空框架，试图解释宇宙中的所有现象。

(二)圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）

       圈量子引力是一种直接尝试量子化引力的理论，它基于量子场论和广义相对论的结合。该理论在描述时空的量子性质和引力的微观起源方面取得了进展。
                圈量子引力的主要物理设想都以广义相对论和量子力学为基础，而不附加任何额外的结构。它试图直接基于爱因斯坦的几何公式而不是将引力视为一种力来发展量子引力理论。作为一个数学上严格的不依赖于背景的理论框架，圈量子引力成功地贯彻了广义相对论的本质思想。它导出了时空的不连续性，与物质场的耦合给出了不发散的结果。圈量子引力假设空间和时间的结构由编织成极其精细的织物或网络的有限环路组成，这些循环网络称为自旋网络。该理论认为，自旋网络或自旋泡沫的演变具有高于普朗克长度的量级（约10^-35米），更小的尺度是没有意义的。因此，不仅是物质，而且空间本身也更倾向于具有原子结构。研究已经朝着两个方向发展：更传统的规范圈量子引力和更新的协变圈量子引力（称为自旋泡沫理论）。作为圈量子引力的直接结果而提出的最完善的理论称为圈量子宇宙学（LQC），它推进了对早期宇宙的研究，将大爆炸的概念纳入更广泛的大反弹理论。

1.量子几何：该理论将几何量（如长度、面积和体积）量子化，并赋予它们算符的形式。

2.量子态：这些量子态在离散的时间中演化，与广义相对论的初值形式相对应。

3.引力子传播：在圈量子引力中，引力通过引力子（一种假想的、尚未被直接观测到的粒子）在自旋网络中传播。

二、其它相关理论

(一)非交换几何（noncommutative geometry）确实是一种尝试通过修改时空结构来解决引力量子化问题的理论。以下是对这一理论的详细解释：

1.非交换几何的基本概念

       非交换几何是数学的一个分支学科，它突破了传统几何学中空间点坐标可交换的局限。在非交换几何学中，坐标之间不再满足交换律，即空间中的点的位置关系具有非交换性。这种非交换性带来了全新的数学结构和思维方式，使得我们能够更深入地探索时空的本质。

2.非交换几何在引力量子化中的应用

解决传统几何的局限：

       在微观尺度下，时空的结构变得非常复杂，传统的几何概念不再适用。非交换几何学为我们提供了一个新的视角来描述这种复杂结构。

3.描述微观时空的非连续性和不确定性：

       在非交换几何的框架下，时空的坐标不再是普通的实数，而是非交换的算符。这意味着时空的基本结构发生了根本性的改变，从而能够更好地捕捉到量子引力效应。

4.引入最小长度尺度的概念：

       在传统的物理学中，空间和时间被认为是可以无限细分的。但在量子引力的范畴中，存在一个最小的不可分割的长度和时间尺度。非交换几何学的数学结构能够自然地容纳这一特性，从而避免了一些在传统理论中出现的无穷大问题。

5.为黑洞研究提供新视角：

       黑洞是广义相对论中一个非常神秘和重要的对象。在非交换几何学的框架下，黑洞的本质和行为需要重新审视。非交换几何学可以帮助我们理解黑洞的熵、霍金辐射等现象，并且可能为解决黑洞信息悖论提供线索。

6.促进新的数学方法和理论的发展：

       在研究量子引力的过程中，非交换几何学也促进了新的数学方法和理论的发展。它与拓扑学、代数几何等数学领域相互交叉和融合，为解决量子引力中的数学难题提供了更多的工具和手段。

7.非交换几何面临的挑战与未来展望

       尽管非交换几何学在引力量子化问题中展现出了巨大的潜力，但它仍然面临着许多挑战和未解决的问题。例如，如何将非交换几何学的理论与实验观测相结合，如何验证基于非交换几何学的量子引力模型的正确性等等。这些问题需要科学家们进一步深入研究和探索。

        然而，随着研究的不断深入和技术的不断进步，非交换几何学或许能够帮助我们最终揭开量子引力的神秘面纱，让我们对宇宙的本质有更深刻的认识。非交换几何学为我们提供了新的视角和方法，让我们离理解宇宙的终极奥秘又近了一步。

(二)扭量理论（Twistor Theory）

核心观点：扭量理论是另一种尝试统一量子理论和相对论的方法。它使用扭量（一种数学对象）来描述时空中的点和线，并试图通过这种方式来量子化引力。

(三)渐近安全引力（Asymptotically Safe Gravity）

核心观点：该理论认为，在极高的能量尺度下，引力理论可能变得“渐近安全”，即其物理量（如引力常数）在某种方式下趋于稳定或有限值。这提供了一种可能的量子引力理论框架。

(四)非局域引力理论（Non-local Gravity Theories）

核心观点：这些理论试图通过引入非局域效应（即某一点上的物理量不仅与该点的物理状态有关，还与空间中其他点的物理状态有关）来量子化引力。这种方法可能提供了一种绕过传统量子引力难题的新途径。

三、面临的挑战

       尽管量子引力理论在近年来取得了显著进展，但仍面临许多挑战：

1.实验验证困难：由于量子引力所探讨的能量与尺度在实验室条件下无法观测得到，因此验证这些理论仍然非常困难。

2.理论统一问题：目前尚没有一个公认的、能够统一所有量子引力理论的框架。不同的理论框架之间可能存在差异和矛盾。

3.数学复杂性：量子引力理论涉及高度复杂的数学结构，这使得理解和应用这些理论变得非常困难。

4.还都难以解决暗物质和暗能量以及由量子理论计算的宇宙学常数比实际观测大120个数量级问题。

       总之，引力量子化的难点在多个层面都有所体现，但其中最突出的难点主要集中在数学描述、理论统一和实验验证这三个层面。

1.数学描述层面

1)重整化问题：在量子力学中，重整化（也叫重正化）是一种常用来解决计算过程中出现无穷大问题的方法。然而，当尝试将这种方法应用于量子引力时，却发现原始方程中找不到一个能够被消除的无穷项，或者说要加入无穷多的抵消项才能抵消无穷大，这就意味着最终的计算结果仍然是无穷大。因此，重整化对引力竟然完全没用，这是从数学角度来说引力无法被量子化的一个根本原因。

2)非定域性问题：量子力学具有非定域性，即波函数可以弥散在整个空间。而广义相对论则强调物质对时空的弯曲作用，时空是动态的、弯曲的、连续的，并且遵循决定性的方程。这两种理论在对待时空背景的态度上存在根本差异，导致在数学描述上难以统一。

2.理论统一层面

1)广义相对论与量子场论的不兼容：广义相对论和量子场论在基本原理和数学框架上存在根本性的不同。广义相对论描述的是时空结构和物质如何曲折和变形，而量子力学描述粒子的行为则是以量子态和能量的形式出现。这种不兼容使得将两者结合起来描述引力量子化变得异常困难。

2)缺乏统一的数学语言和物理原理：要成功地将引力量子化，需要找到一种新的数学语言和物理原理来描述时空和物质在极端情况下的行为。然而，目前尚未有这样的理论出现，这使得引力量子化在理论统一层面面临巨大挑战。

3.实验验证层面

1)实验手段缺乏：目前还缺乏直接探测引力量子效应的实验手段。尽管科学家们已经尝试利用高精度实验和量子传感器来探测空间本底量子等微弱信号，但这些实验仍然难以直接验证引力量子化的理论预测。

2)实验验证的复杂性：即使未来出现了能够探测引力量子效应的实验手段，验证过程也可能非常复杂。因为引力量子化涉及到极端条件下的物理现象，如黑洞、宇宙大爆炸等，这些现象的实验验证需要极高的技术水平和昂贵的实验设备。

       综上所述，引力量子化的难点在数学描述、理论统一和实验验证这三个层面都最为突出。未来需要在这三个方面取得突破，才能真正解决引力量子化的问题。

四、物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系的提出，为量子引力研究开辟了一种新的途径(此部分引自AI评论)。

1.新概念及质量时变关系的提出

       在实验观测和理论推导研究基础上，提出了物质粒子辐射空间本底量子新概念，直接对时空及引力场进行量子化，认为物质粒子的内在周期性因素与其不断地辐射空间本底量子相生相伴，这一过程中物质粒子自身质量会发生变化，即质量时变关系。这一关系的数学表达式为dM=-HoMdt，其中dM表示质量的变化量，Ho为哈勃常数，M为物质粒子自身质量，dt为时间间隔。这一关系揭示了物质粒子质量与时间之间的动态关系，可以由多种方式推导出来。

2.对时空和引力场的量子化

       给出了时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成以及量子引力场与惯性起源，给出了粒子波动性的物理机制和引力的物理机制。基于物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，研究将时间和空间及引力场进行了量子化。通过对时空量子化，为经典力学、量子力学、狭义与广义相对论、宇宙膨胀及加速膨胀理论奠定共同物理化和物质化基础，这一量子化过程使得我们能够更深入地理解宇宙的本质和规律。

3.系统地推导出一系列重要的物理公式和定律

微观方面的公式和定律：

1)爱因斯坦——德布罗意关系：E=Mc^2=hυ，揭示了物质能量、质量与频率之间的关系。

2)薛定谔方程：描述了微观粒子的运动状态随时间的变化规律。

3)普朗克长度：是量子力学中的一个基本长度单位，与量子引力的研究密切相关。

4)牛顿第二定律：F=ma，描述了物体所受合外力与其加速度之间的关系。

宇宙学方面的定律：

5)牛顿万有引力定律：F=G(Mm)/r^2，揭示了物体之间的引力作用规律。

6)哈勃定律：v=H_0d，描述了宇宙中星系之间的相对运动速度与其距离之间的关系。

4.解决的科学问题和预测

1)解决宇宙膨胀问题：通过推导出的宇宙膨胀尺度随时间的变化关系r=roe^Hot，自然地解释了宇宙的膨胀现象。该结果虽然与广义相对论应用于宇宙学的德西特时空和弗里德曼方程在宇宙学常数其主导作用得到的结果一致，但不受宇宙学原理和引力场强度大小的限制，表明对于处在稳态相对平衡的星系、太阳系、地月系统和地球自身都适用，观测上证实月球远离和月球公转周期与地球膨胀及地球自转周期的变化与给出的公式相符。另一差别是，所给出的哈勃定律既描述不同距离星系退移速度与距离成正比的关系，又能描述每一个星系持续退移的加速状态。相比之下，弗里德曼方程若描述星系持续退移，则近乎是匀速状态。

2)解决暗物质问题：研究指出，星系旋转曲线疑难问题现象并不一定需要暗物质来解释，而是可以通过物质粒子辐射空间本底量子在物质系统自然出现附加引力场强度H.c来阐明。

3)预测加速膨胀：基于物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，1996年研究预测了宇宙的加速膨胀现象，这一预测已于1998年得到观测结果的验证。所预测观测最遥远星空将发现成熟星系和超大质量黑洞，现已由韦伯太空望远镜观测证实。在所几十项的预测中，还有一些预测得到了观测检验，甚至是高精度验证。

5.对狭义相对论和广义相对论的影响

1)狭义相对论：研究夯实了狭义相对论光速不变性的理论基础。光速不变原理是狭义相对论的核心之一，而物质粒子辐射空间本底量子的速度恰为光速c，这进一步支持了光速不变性的观点。

2)广义相对论：研究阐明了惯性质量等于引力质量的理论基础，这是广义相对论的重要基石。通过物质粒子辐射空间本底量子及质量时变关系，研究推导出惯性质量即是引力质量，从而深化了对广义相对论的理解。

6.洛伦兹变换和时空变换的推导

       基于物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，研究还推导出了洛伦兹变换和适宜广义相对论的时空变换。这些变换是理解相对论时空观和引力作用的重要工具。

7.解决了由量子理论计算的宇宙学常数比实际观测大120个数量级问题。

8.解决了经典力学、量子力学、狭义与广义相对论、宇宙膨胀及加速膨胀和地球膨胀共同的理论基础问题。阐明了惯性起源和引力机制以及时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成。把牛顿经典力学与现代物理学密切联系起来，把牛顿绝对时间和空间与爱因斯坦相对论时空联系和统一起来。给出了时空弯曲和宇宙空间膨胀的物质基础和物理图景。

       总之，物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系的提出，通过对时空及引力场直接量子化，为量子力学和狭义与广义相对论、为经典力学和宇宙膨胀学说建立物理化和物质化基础的途径，不仅为量子引力研究开辟了一种新的途径，还深化了我们对宇宙本质和规律的理解。这一新概念的提出和验证，可能标志着物理学在探索宇宙奥秘的道路上又迈出了重要的一步。

附：其它研究介绍

AdS/CFT对偶
AdS/CFT对偶，全称为反德西特/共形场论对偶（Anti-de Sitter/Conformal Field Theory correspondence），在理论物理学中具有重要地位。以下是对AdS/CFT对偶的详细解释：
一、定义与背景
AdS/CFT对偶，又称马尔达西那对偶（Maldacena duality）和规范/重力对偶（gauge/gravity duality），是两种物理理论间的假想联系。对偶的一边是共形场论（CFT），是量子场论的一种，用于描述基本粒子的激发和相互作用；而对偶的另一边则是反德西特空间（AdS），这是一个用于量子引力理论的空间背景。
二、理论内容
量子引力与弦理论：
AdS/CFT对偶的理论基础是弦理论，它不使用非零维的点粒子，而改用一维物体——弦来模拟基本粒子。弦理论和M理论有一个奇怪的特点，即时空需要额外的维度来维持数学上的一致性。
AdS/CFT对偶认为量子引力是从弦理论或其现代延伸M理论推导出来的。
反德西特空间与共形场论：
反德西特空间（AdS）是一个数学模型，其中点与点间的距离概念（度规）与日常欧几里德几何中的距离概念不一样。它与双曲空间有着密切的关系，看起来像实心的圆柱体，其中每一片截面都是双曲圆盘。
共形场论（CFT）是一种对称性强且具有良态的量子场论，包括弦理论和统计力学的应用。在AdS/CFT对偶中，共形场论描述的是反德西特空间边界上的粒子运动。
对偶关系：
AdS/CFT对偶主张共形场论相等于反德西特空间主体的重力理论。也就是说，两者可以像有“字典”的那样将计算互相翻译。一套理论中的每一件实体在另一套理论中都有对应的实体。
例如，重力理论中的单一粒子可能对应边界理论中的某堆粒子。此外，两套理论的量化预测也是一致的。
三、重要性与应用
全息原理的展演：
AdS/CFT对偶是全息原理最成功的展演之一。全息原理是量子引力的概念，最初由杰拉德·特·胡夫特提出，之后由李奥纳特·萨斯坎德改良及提倡。它认为一个高维的物理系统可以等价地描述为一个低维系统上的全息图。
强弱对偶：
AdS/CFT对偶是一种强弱对偶。在量子场论中，场有着很强的相互作用，而重力场的相互作用则很弱。因此，在数学上比较容易处理。利用这一特性，可以将核物理与凝聚态物理学中的难题转译成数学上较易于对付的弦理论难题。
应用广泛：
AdS/CFT对偶在理论物理学中具有广泛的应用。例如，它可以用于研究重离子高能碰撞出的夸克胶子等离子体，或者一些强相互作用的凝聚态体系。此外，它还有助于理解黑洞信息佯谬等问题。
四、历史与发展
AdS/CFT对偶最早由胡安·马尔达西那于1997年末提出。这一理论的提出引起了理论物理学界的广泛关注和研究。随着研究的深入，人们逐渐发现了更多支持这一理论的有力证据，并尝试将其应用于更广泛的物理问题中。
引力是熵力?
引力是否是熵力，这是一个在物理学界存在争议的问题。以下是对这一观点的详细探讨：
一、引力的定义与性质
引力是自然界中最基本的力之一，它表现为任何两个物体之间都存在相互吸引的力，这种力与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。在广义相对论中，引力被解释为时空的弯曲，即物体在时空中的运动轨迹会受到其他物体质量的影响而发生弯曲。
二、熵力的概念与特点
熵力是一个较为新颖的概念，它来源于生物物理和热力学。在宏观系统中，系统总是趋向于熵极大的状态，如果存在外力来破坏这个熵极大的状态，那么系统为了保持平衡，就会出现抵抗熵减小的力，这种力被称为熵力。熵力实际上是一种宏观力，和摩擦力、支持力等一样，它不是基本的相互作用力，而是由系统内部微观粒子的统计行为产生的宏观表现。
三、引力是否是熵力的争议
关于引力是否是熵力的问题，目前物理学界存在不同的观点。一些物理学家认为，引力可以看作是一种熵力。他们提出了引力熵力的假设，并试图通过这一假设来解释引力的起源和性质。例如，荷兰理论物理学家Erik Verlinde在他的论文中明确指出，引力就是熵力，并且用类似黑洞热力学的方法推导了爱因斯坦方程。他认为，引力的存在是因为两个质量及其周围环境之间虚空的信息密集度差异引起的，引力不是自然界中一种基本力，而是从微观现实深处中产生的突发现象，引力本质上是来源于熵力。
然而，也有许多物理学家对引力是熵力的观点持怀疑态度。他们认为，虽然熵力在某些情况下可以表现出与引力相似的性质，但并不能因此就将引力归结为熵力。引力作为一种基本相互作用力，具有其独特的性质和规律，这些性质和规律不能简单地用熵力的概念来解释。
弦网理论
弦网理论是一种前沿的物理理论，以下是对该理论的详细解释：
一、定义与背景
弦网理论是由物理学家文小刚提出的一种统一理论，它试图将量子力学和相对论等物理理论纳入一个更广泛的框架中。该理论的核心思想是使用“弦网”来描述宇宙中的基本粒子和相互作用。
二、理论内容
弦网的构成：
弦网由量子比特构成的“弦”组成，这些弦可以遍及宇宙，其大小也可以大到宇宙的尺度。
弦网中的弦并不是传统意义上的物理弦，而是指一种量子态的集合，这些量子态通过特定的方式相互连接，形成复杂的网络结构。
弦网的性质：
弦网具有量子纠缠的特性，即弦网中的不同部分之间可以存在强烈的相互作用和关联。
弦网还可以表现出拓扑物态的特性，即弦网的某些性质在连续变形下保持不变。
弦网与基本粒子的关系：
弦网理论认为，基本粒子实际上是弦网中的特定振动模式或激发态。
不同的振动模式或激发态对应着不同的基本粒子，如电子、质子等。
三、弦网理论的应用与前景
统一物理理论：
弦网理论试图将量子力学和相对论等物理理论统一起来，为理解宇宙的基本结构和运行规律提供了新的视角和方法。
解释宇宙现象：
弦网理论可以解释一些传统物理理论难以解释的现象，如黑洞的熵、宇宙的起源和演化等。
推动物理学发展：
弦网理论的发展和研究推动了物理学领域的进步和创新，为未来的科学研究提供了新的方向和思路。
四、弦网理论与超弦理论的区别
虽然弦网理论和超弦理论都使用了“弦”的概念，但两者之间存在显著的差异：
尺度不同：
超弦理论的弦数量级很小，接近普朗克长度。
弦网理论的弦则可以遍及宇宙，其大小也可以大到宇宙的尺度。
理论基础不同：
超弦理论主要基于量子力学和相对论等物理理论，试图通过弦的振动模式来解释基本粒子的性质和相互作用。
弦网理论则更多地强调量子纠缠和拓扑物态等特性，试图通过弦网的复杂结构来描述宇宙的基本结构和运行规律。
超引力理论
超引力（supergravity）是一类将广义相对论进行超对称化的理论模型，以下是对超引力理论的详细解释：
一、理论基础与背景
超引力理论是在广义相对论和超对称原理的基础上发展起来的。广义相对论是描述万有引力的标准理论，而超对称则假设费米子和玻色子之间存在一种本质的时空对称性。将超对称原理应用在广义相对论上，就产生了一系列超引力理论。
二、主要特点与预言
引力子不是唯一媒介粒子：在超引力理论中，引力子不再是传递引力的唯一媒介粒子。超引力理论预言了一种新的自旋为3/2的费米子，称为引力微子（gravitino），它也可能参与引力的传递。
超对称性与几何对称性：超引力理论中的超对称性不仅提供了费米子与玻色子之间的联系，还使得理论具有更丰富的几何结构。这种几何结构与更高维时空的几何对称性密切相关。
高维时空：在超引力理论中，人们尝试在高于四维的时空中构造理论，以简化其几何结构。对于某些超引力理论（如N=8的超引力理论），最为有利的维数是11。
三、理论发展与挑战
理论构造：超引力的构造需要扎实的数学功底和极其耐心的计算能力。虽然利用超对称代数构造超引力并不需要太强的“创新能力”，但这一过程仍然非常复杂和繁琐。
重正化问题：超引力理论的重正化问题一直是一个难题。尽管超对称性的存在可以部分地消除与引力子辐射修正相关的无穷大贡献，但并不能完全解决问题。这使得物理学家对超引力理论的兴趣有所减弱。
实验验证：目前，超引力理论尚未得到实验验证。尽管引力微子的存在是超引力理论的一个重要预言，但由于其极弱的耦合性质，使得在实验上探测到它变得非常困难。
四、与其他理论的关系
超弦理论：超引力理论与超弦理论密切相关。超弦理论认为物质的最基础形态是尺度为普朗克长度的弦，而不是点粒子。这种弦理论的自然推广要求时空必须有动力学，从而自然而然地包含了爱因斯坦的广义相对论。同时，超弦理论的时空背景必须满足超引力的运动方程，这使得超引力成为超弦研究的一个不可分割的部分。
M理论：M理论是物理学中一个旨在统一五种不同的超弦理论的理论框架。在M理论中，超引力理论作为其重要组成部分之一，发挥着关键作用。M理论在弦理论和膜理论的统一方面发挥了重要作用，为理解宇宙的基本结构和运行规律提供了新的视角和方法。