时空弯曲和引力子相互矛盾么？
似乎这个回答浏览量一下上升了不少......给新来的读者提一下，这个问题原本是问的 “为什么科学家宁愿相信时空弯曲也不相信引力子的存在？”，所以下面的回答看上去和现在的问题并不太符合。 对于“时空弯曲是什么”这个问题倒是可以做一下简单的回答。粗略来讲，时空弯曲可以用对时空的“度量”来描述 (数学上称为 “度规”，可以视为一个二阶对称的可逆矩阵)。如果说平直时空里面像是用均匀刻度的尺子去度量时空，那么弯曲时空就相当于用一把非均匀的尺子对时空进行度量。什么叫“非均匀”的尺子？可以设想一下一幅等高线地图，同样是地图上的一厘米，如果一块区域横跨了两条等高线，另一块横跨了三条，那么是不是就表明另一块区域对应的实际高度差更高？弯曲时空中对时空间隔的描述就与此类似，同样的坐标间距，在不同的点会对应不同的物理间距。更数学一些来说，微分几何中有一个被称为“黎曼曲率张量”的量，如果这个量为零，则时空是平直的。 另外如果不是一下多了不少点赞和回复，我都不知道这个回答被标成 “无可靠信息了”，这可太冤枉了...... @知乎小管家 麻烦来处理一下吧 引力和时空相关相关的话题依旧是民科泛滥的重灾区呢，这下面都是什么牛鬼蛇神....... 首先时空弯曲和引力子并不冲突，所以不存在从二者之间二选一的情况。那么什么是引力子呢？如果从场论的观点来看，引力子是一个螺旋度为 2 的粒子，其和洛伦兹群的张量表示相联系。如果从广义相对论的角度来看，这相当于是在平直时空上加上一个微小的张量扰动，之后这个扰动可以看成一个在平直背景下传播的经典场，将其量子化后得到的粒子就可以粗略地将其称为“引力子”了。 另一方面，“平直时空上传播的经典场”有没有让你想起什么？是不是这种说法很容易让人想起波动？没错，实际上这种扰动就是所说的引力波。这里可以类比电磁波来考虑。电磁波来源于 Maxwell 方程，引力波来源于 Einsten 方程；电磁波在垂直于传播方向上有两个独立的偏振模式，引力波也具有两个偏振模式 ("x" 模式与 "+" 模式)；电磁场可以分解为正频和负频两个模式的叠加，引力波既然是一种平面波自然也可以进行分解 (实际上二者的数学形式都是偏振常量乘上一个标量平面波)。最终自然可以想到，既然电磁波可以量子化，那引力波自然可以在形式上进行量子化。不过这种有些粗暴的做法往往会导致计算散射振幅时产生发散，归根究底和引力常数 G 的量纲有关系。不过这一块我自己也不熟悉，所以这方面的论述暂且作为抛砖引玉了。场论中可重整性要求作用量中每项的量纲不能超过四，但引力波会打破这个要求，于是在计算过程发生的概率幅时，在圈图阶 (如存在虚粒子对产生的过程) 总是会出现发散，而且需要无穷多的项去抵消这些发散，因而是不可重整的，或者说无法找到这样的量的物理意义。相比来说，对于可重整的理论，无穷大的项的数目是有限的，可以通过重新定义质量、耦合常数 (如电荷量 e) 等将无穷大吸收掉，于是最终得到的结果仍为有限的。 既然将引力波量子化后不可重整，那是不是意味着目前无法利用引力波量子化来进行研究呢？事实上并非如此。在研究早期宇宙时，会在 FRW 度规上进行扰动，这种扰动将导致在宇宙学时空背景上传播的引力波，通常称为 “原初引力波”。在研究原初引力波时，常常会仍然在形式上对其进行量子化，并 (仅在树图阶) 计算相应的真空期望值，最终除去 delta 函数的部分后可提取出被称为 “(张量扰动的) 功率谱密度” 的量，其在观测上具有重要的意义。之前本科做毕设时我主要学习的就是线性标量扰动诱导的二阶引力波，它主要就是通过 Einstein 场方程，将二阶引力扰动表示为一阶标量扰动的一些二次项之和。由于标量扰动的功率谱密度已经是由 CMB 得到的，所以说这种方法原则上可以估计出相应的二阶扰动的功率谱密度，且如果宇宙学扰动理论正确，这部分对于功率谱密度的贡献是一定存在的。 不过若是仅仅用到树图阶，且不考虑相互作用，其实很多场论里的量子效应都没法类比过来。所以说虽然宇宙学研究中有些强行地把引力扰动做了量子化，但并不意味着这就是量子引力理论了——方才提到的圈图发散问题其直接绕开了。至少在目前我还没在原初引力波这里见到过计算圈图的。不知道是不是这个原因，我本科的宇宙学老师一直给我说这 “(树图的概率幅) 只是个经典概率” ，感觉听起来更像是路径积分那边的描述。关于这点如果谁有补充，欢迎在评论区指出。 基本的介绍大致就这些，下面回到问题本身，总结一下目前的观点 所以说更进一步，如果不认为有时空弯曲，将很难理解螺旋度为 2 的经典场的物理意义，因此某种程度，甚至可以说是先有时空弯曲然后才能有引力子。当然，如果只是简单地将张量场视为平直背景下的经典场而不打算深究其物理意义也不是不行——毕竟在处理旋量场时几乎就是这么做的，这方面就看个人喜好了。到不管怎么说，“时空弯曲” 和 “引力子” 都是现代的理论物理中经常用到的概念，而且二者并不冲突。 最后补充一点实验角度的观点。若真要说的话只有引力弯曲是有众多实验支持的，且不说引力红移、水星进动、引力透镜这些相对传统的证据，目前最新也最有说服力的实验证据无疑是引力波；相比之下，现在的对撞机上并没有探测到引力子，宇宙学上也缺少相关的观测证据。于是实验的角度来看，说时空弯曲相比引力子有更多的实验支持确实是没错的。