[前言]引力量子化和时空量子化越来越受到广泛的和高度的重视，但基于原有的范式下研究探讨，几十年来进展缓慢，疑虑重重，争议不断。其实，换一种角度研究探索时空及引力场量子化，例如，从观测到物质粒子具有波动性，从观测到地球质量衰减和月球引力衰减，从深入分析引力场的特性，结合理论推导，提出物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，直接对时空及引力场进行量子化，进而自然地系统地推得爱因斯坦——德布罗意关系、薛定谔方程、普朗克长度、牛顿第二定律、牛顿万有引力定律和哈勃定律，推得空间本底速度即是光速c、哈勃宇宙及无限宇宙时空的引力势为光速c^2，惯性质量即是引力质量，深入阐释了量子力学和狭义相对论与广义相对论理论前提，推得符合狭义相对论的洛伦兹变换和符合广义相对论的广义时空变换，推得的宇宙空间膨胀随时间的变化关系，与广义相对论应用于宇宙学的弗里德曼方程和德西特时空，在宇宙学常数起主导作用下的宇宙加速膨胀模式相一致。这种从时空起源与时空及引力场直接量子化，尝试探求量子力学和相对论以及经典力学与宇宙膨胀理论共同的物质基础角度，而不是以往先对某一具体理论量子化，避免了遭遇无穷大和重整化等种种困境，能够具体给出时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成，给出空间本底量子能量和质量大小，给出空间本底量子物质波波长恰是哈勃宇宙半径，给出空间本底量子半径即是普朗克长度，提出几十项预测以及现已得到一部分观测检验验证，尤其是面对其中呈现出的与观测结果高度相符的检验验证，似乎可以说，以上这些都几乎是时空量子化及引力场量子化的反映。

       以下转载文章介绍了科学家们这些年对时空及引力量子化的一些探讨情况：

       物理学界最大的问题之一是时空的本质：它究竟是经典的，还是量子化的？无数的实验，从微妙的中微子到量子泡沫，都在寻找这个问题的答案。

       想象一下，如果你能清除宇宙中的所有物质，那么剩下的会是什么？这个宇宙的潜在结构被称为时空，它有时被比作一块织物。然而，伦敦大学学院的物理学家乔纳森·奥本海姆认为：“时空结构是一个科幻术语”。它的真实含义是什么，我们还没有达成共识。

       在经典的物理学中，也就是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论中，时空结构并不是独立存在的。相反，时空与质量和能量交织在一起，并受其影响，从而产生引力。最重要的是，爱因斯坦的方程是连续的，所以在经典的观点中，时空结构必须是光滑的。

       然而，如今大多数物理学家认为，时空必须遵守量子力学的规则。量子力学支配着亚原子粒子和场的行为。在这种情况下，时空可以被分解成离散的块，或者说是被量子化。这意味着，尽管时空看起来是宇宙中所有事物发生的一个平滑背景，但如果你能足够近距离地观察，你就会发现它实际上是由一些基本粒子构成的，就像其他一切一样。

       问题在于，我们目前还没有证据证明时空是量子化的。要证明这一点非常困难，因为你可能想象中的时空“像素”，也就是它最基本的组成部分，是如此微小，以至于直接观察它们是不可能的。

一、慢速中微子

       当乔瓦尼·阿梅利诺-卡梅利亚和他的团队在6月份公布了初步结果，暗示着时空的量子化，他们并未预料到会引起如此巨大的轰动。然而，他们的声明震惊了整个物理学界。“他们要么没明白，要么没有读过我们的论文，”来自意大利那不勒斯费德里科二世大学的物理学家阿梅利诺-卡梅利亚说道。

      他们详细展示了关于基本粒子——中微子的测量结果。中微子具有质量，但几乎不与其他物质产生交互作用，它们通常源于遥远的星系。在经典的、非量子化的时空结构中，中微子应当以接近光速行进。但是，一些量子时空理论预测，这会产生微小的阻力，使得中微子根据其能量的大小而有所减速。

      阿梅利诺-卡梅利亚把这个效应比喻为玻璃棱镜对不同频率光的减速作用，使它们分离成彩虹。尽管这种时空阻力要微妙得多，但为了观察到这种效应，中微子必须穿越巨大的距离。“幸运的是，宇宙足够广大”他说。

      在南极洲的冰立方中微子天文台，阿梅利诺-卡梅利亚和他的同事们探测到的中微子中，分析了大约8000个能量最高的粒子方向，发现其中一小部分似乎可以追溯到一个共同的起源。他们的想法是，如果这些中微子在不同的时间到达，那么它们一定是被不同程度地减速了。他们的确发现了这样的情况——所以，这意味着，我们已经看到了量子化时空的证据。

       至少这是他们的观点。批评者们抱怨说，用来精确定位这个共同起源的数据点太少，而且没有显示出测量中的潜在错误。然而，阿梅利诺-卡梅利亚坚信，每次中微子探测与其相应的爆炸之间的时间差是如此众所周知，以至于误差范围太小，无法显示。尽管如此，他说还需要更多的数据。“如果我们的结论不会随着更多的数据而消失，我们将非常幸运”他说。“我们会有很多话要说。”

二、量子泡沫

       “如果我要放大，空间和时间将是一团混乱的波动”加州帕萨迪纳市加州理工学院的物理学家凯瑟琳·祖雷克说。“当你观察更大的距离时，这些波动会平均分布，所以我们看到的是平滑的。”

       祖雷克的工作重点是这些微小的、假设的时空波动，这将是假设的引力粒子——即引力子——进出存在的结果，正如许多已知的粒子所做的那样。她称之为量子泡沫，她感兴趣的是，在某些情况下，是否有可能看到它存在的迹象。

        她认为我们可以，只要我们生活在一个全息宇宙中。粗略地说，全息原理认为，尽管我们的感知可能是三维的，但宇宙中体积内的一切都可以说是从一个二维表面中产生的。2022年5月，祖雷克证明，如果我们的宇宙确实如此，量子泡沫的波动可以被放大到可以测量的地步。

       在此基础上，她提出了一种实验。它从一个干涉仪开始，一个使用激光光在两条最终会再次交叉的路径之间分离的装置，显示出干涉图案。在祖雷克提出的装置中，光能够推动引力子，也可以被认为是时空像素，使其一起运动，就好像它们是一个凝聚的、波动的云。她将这个巨大的云称为“像素云”，并说它将能够改变周围光线的轨迹，在干涉仪中产生一个特征。

       祖雷克告诫说，这样的实验可能还有很长的路要走。一方面，她仍在确保她的预测不会与已知的物理学相冲突。“引力理论是一件极其微妙的事情，”她说。其次，我们目前所能获得的最灵敏的干涉仪——激光干涉引力波天文台(LIGO)——第一个探测到被称为引力波的时空涟漪——可能不够灵敏，无法探测到量子泡沫的影响。“它不是被设计来做这种测量的，”祖雷克说。

       但即使她的实验在LIGO上运行，什么也没有发现，她已经开始与实验人员合作，设计一个更灵敏的干涉仪。

三、称量质子

       光粒子，或光子，是没有质量的，因此我们通常认为引力对它们没有影响。然而，堪培拉澳大利亚国立大学的扎因·梅赫迪指出，我们应重新思考这一观念。爱因斯坦证明能量和质量是等价的，这意味着高能光子也会像有质量的物体一样产生微弱的引力场。当光子的能量足够高时，这会使时空发生弯曲——这种效应会以可测量的方式改变光子的路径。

       在六月份，梅赫迪和他的合作者预测，通过将光子驱动到极高的能量，它们将与量子化引力和经典引力产生不同的相互作用。梅赫迪表示：“[量子化的]时空介质可以产生奇怪的效果。”

       为了利用这种差异，一个实验将把一束光分成两半，让它们在相互作用后再次组合。当两束分离的光线再次组合时，它们的干涉图案将显示出量子引力或经典引力特有的特征。另一种装置将寻找更微妙的统计效应。由于量子引力特有的相互作用，可能会发生一个罕见的事件：三个光子可以湮灭产生一个光子，其频率是原始光子的三倍。

       这两个实验都需要强大的激光和特殊的镜子。梅赫迪说：“当我告诉实验人员[可能]的结果时，我看到他们的眼睛以一种好的方式睁大了。”但随后他告诉他们，他们需要提高激光功率和检测效率，这时他们的眼睛睁得更大了。”事实上，梅赫迪的实验目前超出了我们的能力范围。然而，引力波探测器等类似实验的进展意味着这项技术并不遥远。

四、纠缠的质量

       如果引力是一种量子力，就像其他三种基本自然力一样，那么它理应以一种量子方式展现行为。为了验证这一假设，一种可行的测试方法是观察是否有质量的物体受到量子纠缠的影响。量子纠缠是一种独特的量子现象，其中粒子的性质是相互关联的，以至于测量一个粒子的性质会影响另一个粒子的性质，即使这两个粒子相隔甚远。

       然而，长期以来，这样的测试似乎超出了我们的能力范围，很大程度上是因为任何形式的测量都会使质量的量子态崩溃，从而使观察变得极为困难。但在2017年，伦敦大学学院的苏加托·博斯和他的同事们提出了一种创新性的桌面实验，有可能实现这一目标。

       他们的想法是首先将一个相对较大的质量，其直径约为千分之一毫米，放入一个量子叠加态。这就是说，这个质量同时存在于多个状态之中，直到进行测量或观察为止。此时，这个质量被认为已经“坍缩”成一个确定的状态。随后，引入第二个处于叠加状态的质量，让这两个质量相互靠近。

       如果引力是量子化的，那么预期的结果是引力子会暂时物质化，并纠缠这两个质量。“如果这些质量能够纠缠在一起，那么引力一定具有量子性质，”博斯说道。“这就是我们如何验证引力的量子性质的。”另一方面，如果引力是经典的，那么质量就不会受到引力叠加的影响，也不会出现引力子来纠缠它们。

       虽然这是一个极具挑战性的实验，但博斯对未来的前景保持乐观。他说：“这是一个极其困难的实验，因为像叠加和纠缠这样的量子态非常脆弱。即使是真空中的单个原子也能使量子过程崩溃。但我们一直在探索避免这种崩溃的新方法，并已取得了一些令人鼓舞的进展。因此，我相信在未来的5到10年内，这个实验将有可能成为现实。”

五、后量子引力

       如果他们不得不打赌，大多数物理学家会打赌时空的真实本质不是经典的。其他三种基本力是量子化的，为什么引力不是呢?但如果你想想，这并没有多大意义，”奥本海姆说。“一个多世纪以来的努力，我们一直无法将引力量子化。”

      相反，奥本海姆正在探索引力不具有量子性质的可能性，至少不是完全的。他的想法是，它是一种混合体，他称之为“后量子经典引力”。这意味着时空和引力可以是经典的，同时与其他一切的量子化是一致的。

        在物理学中，有一个被普遍接受的原则，那就是“自然总是以最简单的方式工作”。那么，如果引力不是量子的，而是经典的，这似乎更符合这一原则。毕竟，其他三种基本力——电磁力、弱力和强力——都是量子的。

       但是，许多物理学家认为，将量子系统和经典系统合并是不可能的。然而，奥本海姆认为这是可以做到的，但他需要对量子理论和广义相对论进行一些修改。为了使这个想法可行，必须使量子粒子与经典引力之间的相互作用变得不可预测。

       所以，尽管在某些情况下引力似乎是量子化的，但我们所观察到的引力场中的任何明显的量子行为，如叠加态，实际上只是因为场内量子粒子的位置不确定而产生的。在这种情况下，测量引力场不会泄露粒子的位置。

       为了验证他的想法，奥本海姆提出了两个实验方法。第一个实验检验了Lajos Diósi和Roger Penrose关于经典引力在量子叠加态中对质量所起作用的模型。他们推测，对于小的质量，引力中的微小量子涨落将在引力场之上被检测到。但对于一个大的质量，更大的引力场会诱使质量的量子叠加坍塌。另一方面，量子引力预测，质量的叠加应该持续存在，而不是坍塌。

       第二个测试与第一个相似，但它寻找的是质量从量子行为到经典行为的转变点。例如，我们知道光子可以表现为粒子或波，但项链珠子，比如说，只表现出经典行为。换句话说，它们只表现为粒子。问题是，这种转变发生在什么质量上?

       奥本海姆已经计算出了一个后量子经典宇宙的转变点，目前他正在与实验人员讨论如何进行实验测试。然而，这并不容易。“因为引力非常微弱，我们对它的测量非常不准确，”奥本海姆说。“它可能在剧烈波动，而我们却不知道。”

六、非局部效应

       在1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·博姆提出，经典的电磁方程并没有给出完整的画面，必须包括额外的量子效应。几年后，一个实验验证了他们的预测，发现带电粒子即使在没有电磁场的情况下也会受到“震动”。最被接受的解释是所谓的非局部量子效应。

       但是，这种阿哈罗诺夫-博姆效应也能适用于引力场中的粒子吗？如果引力是量子化的，它应该——而且有可能测试它。2022年1月，现任马里兰州约翰霍普金斯大学的克里斯·奥弗斯特里特和他的合作者发表了基于这一想法的结果，这可能是我们最接近量子引力的确凿证据。

       他们的原子干涉实验从一个超冷原子的喷泉开始，他们沿着两条路径分离。一条路径经过一个大的质量，它的位置是这样的，它没有对原子施加净的引力，因为它的引力抵消了自己，留下量子引力作为唯一的可能相互作用的来源。另一条路径上的原子在没有任何外在影响的情况下行进。

       “我们想知道，原子是否还能分辨出源质量是否存在，”奥弗斯特里特说。他们可以。当两条路径重新组合时，干涉图案显示，与第二条路径相比，第一条路径的原子发生了偏移。奥弗斯特里特说，即使考虑到所有可能的误差来源，这种效应仍然是显著的。

       虽然他们还没有能够区分后量子引力和量子引力，但研究人员认为，量子化提供了他们演示的更完整的解释——这为未来的实验铺平了道路。

      奥弗斯特里特现在希望在芝加哥附近的费米实验室进一步推动实验，那里目前正在建设一个100米长的原子干涉仪。这将作为一个巨大的量子传感器，具有足够的灵敏度来寻找引力量子化——你猜对了——在大约5到10年内。

       让我们再重温一下物理大师们对时空、引力和宇宙的一些真知灼见吧。

       爱因斯坦晚年在总结一生时空探索时明确指出：“空间——时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动，这一观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用。”

       李政道教授认为：“目前在原来的物理学框架上，理论发展已经很困难，应该有一个大的突破。应该着眼于微观的基本粒子和宏观的真空态统一起来研究，这比20世纪初的理论革命会有更加大的突破。我们要立足新的基础科学前沿，一定要将小的与大的联系起来，这个方法可称为整体统一。整体统一的科学方法，应该是21世纪最重要的科学方法。”

        Lee Smolin在《物理学的困惑》一书中坦言：“我们眼下的问题不可能通过那种实用主义的科学路线来解决。为了让科学不断进步，我们要再次面对空间、时间和量子理论的基本问题。

       Erwin Laszlo总结道：“时空需要物理实在。”

       惠勒预料“应该会有⼀个物理学的理论从⽅程中把时间和空间给推导出来。只有找到了时空概念更深刻的含义，各种相互作用才有被统一的希望。总有一天，有一扇门肯定会开启，显露出这个世界闪闪发光的中心机制，既质朴又优美”。

        瑞德尼克在《量子力学史话》一书中写道：“今天，决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题，就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰：物质的两种基本形式——实物和场——之间的相互关系。”

        肖恩·卡罗尔在《隐藏的宇宙：量子世界与时空涌现》一书中写道：“很多年以来，找到完备的、令人信服的量子引力理论一直是极为重要的科学目标。秘诀也许并不在于从引力入手再将其‘量子化’，而是深入挖掘量子力学本身，最后发现引力一直潜藏其中"。

       S.Penrose推断“所要寻求的量子引力必定是一个时间不对称的理论。引力论与量子论的结合能够对宇宙作出解释，其中具有内禀的时间之矢。”

       John D.Barrow设想“存在着某种更深刻的原理，它使宇宙必然(或者至少是以压倒优势的可能性)肇始于某种各向同性膨胀的状态之中，这一原理也许在较为局部的范围内还有着其他应用，据此便可以揭示其自身之存在”。

       武向平院士指出：“19世纪末出现在物理学上空的两朵乌云，催生了相对论和量子力学。如今暗物质和暗能量这两朵新的乌云，将带来一场新的物理学革命。今天我们脑海里一个固有的东西可能或者一定是错的，也许质量会变，也许引力常数会变，也许光速会被超越。”  

       但愿从亚里士多德起这两千多年来对时间和空间本质认识探索的疑惑、从牛顿起三百多年来对惯性起源和引力机制以及绝对时空追寻的困顿、从爱因斯坦起一百多年来对波粒二象性物理机制和相对时空之本的迷茫，以及这几十年来一些研究中遭遇的理论上无穷大以及重整化难题和观测上的暗物质与暗能量现象难题、量子理论计算的宇宙学常数(暗能量)比实际观测结果大120个数量级难题、理论之间和认识上的一些矛盾和悖论，在当今时代能够变得越来越清晰起来，并逐渐得到解决，最好是能得到系统化地解决，毕竟大自然是和谐统一的。也许物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系能够担此重任。