今年是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论问世一百周年。这部代表作将引力描述为空间和时间的弯曲。然而，科学中常有这样的情形：爱因斯坦的洞见带给物理学家的问题，和它们解答的问题一样多。
要找到满足爱因斯坦方程的解——即描述我们宇宙弯曲的时空——十分困难，因此他的理论迟迟未能得到广泛认可。开展早期研究和首批关键检验的科学家不得不采用近似方法。人们花了数十年才发展出对解进行分类并推导新解的技术。不过，如今已知的解有很多，其他棘手问题，例如两颗碰撞恒星的引力场，也可以借助计算机进行数值计算来探索。
爱因斯坦的理论不仅描述了我们的宇宙，从大爆炸到黑洞；它还让物理学家认识到几何与对称性的重要性——这些启示从粒子物理学延伸到了晶体学。但是，尽管爱因斯坦的理论与物理学中的其他理论有相似之处，它仍因无法与量子力学相容而独树一帜；量子力学解释了原子和亚原子尺度上物质的主要行为。
按照爱因斯坦的理论，引力不同于人类已知的所有其他物理力，它不是量子化的，也不受海森堡著名的不确定性原理支配。一个粒子穿过双缝时，其电磁场可以同时穿过两条缝；相应的引力场却不能。我们对引力的理解与物质量子理论之间的这种不一致，给理论物理学家带来了巨大难题，因为它会导致数学矛盾。
显然，量子理论与引力相结合时仍有某些未知之处，而我们对空间、时间和物质的理解取决于能否揭开这种联系。找到一种与我们对量子物理学的认识相容的引力描述，将彻底改变宇宙学，为我们认识宇宙最初的时刻带来新见解，并加深我们对现代物理学赖以建立的理论的理解。然而，尽管这一突破可能产生巨大影响，几代物理学家也为此不懈努力，我们仍不知道哪一种理论才是正确的。
或许你早晨挣扎着起床时并不会这么觉得，但引力远弱于我们所确认的所有其他基本力。只需少数几个电子的静电斥力，就能让你的头发竖起来，克服整个行星对你的引力。在原子和亚原子世界中，与正在发生的其他现象相比，引力无关紧要；这些现象都可以用量子理论描述。
引力如此微弱，使得测量其量子效应极其困难；因此，我们没有实验数据可供理论物理学家在发展缺失的理论时参考。要探测“引力子”——构成引力场一部分的假想粒子——需要一台银河系大小的粒子对撞机，或一台质量相当于木星的探测器。这些实验远超我们的技术能力，因此物理学家一直致力于先消除数学矛盾，并发展弦理论、圈量子引力和渐近安全引力等方法。但要确定哪种理论描述了物理现实，最终必须设计出实验检验。
因此，在过去十年里，物理学家开始寻找量子引力的间接证据。研究人员不再试图探测引力场的一个量子，而是寻找其他能够表明引力已量子化的效应。这些检验与利用原子稳定性作为电磁力已量子化的间接证据的方法颇为相似。例如，一些科学家正在寻找时空量子涨落的证据；这种涨落可能会模糊遥远恒星的图像，或导致系统性畸变。另一些人则在寻找某些对称性遭到破坏的迹象，这可能使通常被禁止的粒子衰变得以发生，造成引力波探测器中无法解释的噪声，或导致量子相干性莫名丧失。
迄今为止，这些尝试都未能探测到所寻找的证据。尽管如此，它们仍推动了重要进展，因为这些否定性结果排除了一些看似合理的假设。研究人员或许尚未找到支持任何一种理论的结果，但他们通过更清楚地界定量子引力理论必须考虑的观测标准，推动了科学发展。
在纪念爱因斯坦成就之际，我们也应借此机会，赞颂那些坚持不懈、不断前行并试图回答其理论留给我们的问题的人们。这一探索催生了宇宙学、数值广义相对论和量子引力等成果丰硕的研究领域。广义相对论为我们带来了虫洞、蒸发的黑洞和大爆炸理论；它是发现宇宙正在膨胀、所谓系外行星远比任何人想象的更为普遍的理论基础；它还彻底重塑了我们对自身在宇宙中位置的认识，最终甚至让人们开始质疑这个宇宙是否是唯一的宇宙。
如果研究人员按照当前学术界普遍采用的三年规划行事，这些进展无一可能实现。因此，今年或许正是一个好时机，让我们珍视那些有远见的人：他们明白，可持续的进步依赖于发展新的、更好的理论，而这些理论的影响或许要过数十年才能充分显现——事实上，其影响可能在一百年后仍不断扩展。
本文与 辛迪加计划合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：萨宾·霍森费尔德是瑞典斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的助理教授。
图片：这张未注明日期的资料图片由美国国家航空航天局/欧洲航天局哈勃太空望远镜拍摄，展示了星系团 SDSS J1038+4849。星系团是宇宙中质量最大的结构，它们产生强大的引力，会使周围时空弯曲，并充当天体透镜，放大、扭曲和弯折其后方的光线。这一现象对哈勃望远镜的许多发现至关重要，可由爱因斯坦的广义相对论解释。路透社/美国国家航空航天局/资料图片，经路透社发布
