如何把爱因斯坦的引力理论与量子力学统一起来？这是一项艰难挑战，如果这个挑战取得成功，可以让我们能深入了解黑洞和宇宙诞生等现象。现在，瑞典查尔姆斯理工大学和美国麻省理工学院的研究人员在《自然·通信》期刊上发表了一篇新文章，他们的研究结果为理解量子引力这一重要挑战提供了新的视角。

现代理论物理学的一个重大挑战是找到一个“统一的理论”，可以在一个单一的框架内描述所有自然规律。它能连接爱因斯坦描述大尺度宇宙的广义相对论，也能衔接描述亚原子水平下运作规律的量子力学。这种“量子引力”理论将包括对自然的宏观描述和微观描述。

查尔姆斯理工大学数学科学系教授Daniel Persson解释道：“我们在努力理解自然规律，而编写这些规律的语言是数学。当我们要寻求物理学问题的答案时，我们也经常被引导在数学方面取得的新发现。这种相互作用在寻找量子引力时尤为突出——在那个领域进行实验极其困难。”

需要这种统一理论来描述的一个现象例子是黑洞。当一颗足够重的恒星在自身引力的作用下膨胀和坍缩时，黑洞就形成了，因此它的所有质量都会集中在一个极小的体积中。黑洞的量子力学描述仍处于起步阶段，但已经涉及到许多高等数学。

查尔姆斯理工大学数学科学系教授Robert Berman说：“挑战在于描述引力是如何作为一种‘涌现’现象产生的。就像一些日常现象(例如液体的流动)是从单个液滴的混沌运动中产生的一样，我们想描述引力是如何从量子力学系统中的微观层面上产生的。”

在最近发表在《自然·通讯》期刊上的这篇文章中，Daniel Persson和Robert Berman与美国麻省理工学院的Tristan Collins一起演示了重力是如何从一个特殊的量子力学系统中产生的，他们利用了一个叫做全息原理的量子引力简化模型。

Robert Berman解释道：“利用我之前研究过的数学技术，我们设法用一种比以前更精确的方式来解释重力如何通过全息原理产生。”

这篇新文章还可能为神秘的暗能量提供新的见解。在爱因斯坦的广义相对论中，引力被描述为一种几何现象。就像一张新造的床在一个人的重量下会弯曲一样，重物可以弯曲宇宙的几何形状。但根据爱因斯坦的理论，即使是空旷的空间里——宇宙的“真空状态”——也具有丰富的几何结构。如果你可以放大并在微观层面上观察这个真空，你会看到量子力学里的波动或涟漪(即暗能量)。从更大的角度来看，正是这种神秘的能量形式导致了宇宙正加速膨胀。

这项新工作可能会导致理解这些微观量子力学涟漪如何以及为何出现，还有对爱因斯坦的引力理论与量子力学之间的关系产生新的见解，这是科学家们几十年来一直未能解决的问题。

Daniel Persson说：“这些结果为检测全息原理的其他方面提供了可能性，例如对黑洞进行微观描述。我们也希望能够在未来利用这些新的联系来开辟数学领域的新天地。”（编译:Qtech）