量子力学与广义相对论结合中最困难的问题

然而，这两种理论在根本上相互矛盾。自物理学黄金时代以来的一个世纪里，我们一直试图调和两者，但都没有成功。广义相对论和量子力学之间究竟有什么冲突？

基本信息

我们先从温和的谈起，我们有黑洞信息悖论。纯广义相对论中的黑洞吞噬信息的方式可以将其完全从宇宙中移除，尤其是当这些黑洞通过霍金辐射蒸发时。这与量子理论有很大的冲突，它告诉我们信息永远不会被破坏。但同样的霍金辐射为信息悖论提供了部分解决方案。在多位物理学家的努力之后，被黑洞吞噬的信息可以通过霍金辐射回到宇宙。从根本上来说，信息悖论的根源和解决方案都来自霍金辐射的发现。实际上，霍金通过找到一种将广义相对论和量子场论结合起来的方法推导出了霍金辐射，但这种结合是近似的且不完整的。

最困难的问题

但即使在较小尺度上考虑弯曲时空的结构，也会导致疯狂和灾难性的冲突。标准的量子理论将时空结构视为所有奇怪量子事物发生的潜在舞台，鉴于这种合理的底层结构，应用量子原理量化大部分自然力是相对常规的。例如，当我们量化电磁场时，经典电磁学就变成了量子电动力学。但在由此产生的数学中，新的量子场仍然位于平滑、连续的时空网格之上。

那么，如果我们想量化引力呢？引力场并不位于时空之上，因为它本身就是时空。要量化引力，我们必须量化时空本身，这样就没有一个坐标系可以作为我们理论的基础。事实上，这是一场灾难。在广义相对论中，质量或能量的存在会弯曲引力场。在量子引力中，引力本身成为我们量子化时空中的一种激发，这些激发的能量本身应该会弯曲更多的时空曲率，这表示为更进一步的激发。换句话说，引力应该会无限产生更多的引力。

但是当我们尝试量化广义相对论时，这些都不起作用。当在量子尺度上有很强的引力效应时，这种校正会膨胀到无穷大，并且与其他量子场论不同的是，我们无法进行简单的测量来重整化这些校正。我们说广义相对论的量子化时空是不可重整化的。