引力量子化為什麼十分重要？物理學家設想了引力量子化的科學問題，如何發現這一設想的意義和了解這一問題的答案？人們思首先考慮了引力量子化的理論背景，為什麼要實現引力量子化？怎樣找到引力量子化的路徑和方法？或怎樣找到開啟引力量子化的“鑰匙”？物理學家在引力量子化的領域使用了若干的概念和詞彙，採用了若干策略。
科學研究涉及到提問的藝術，科學家時常是這些問題的回答者，既可以自己提問，也可以別人提問，他們在開始時還不能確定解決某個問題的答案，例如：為什麼質子的質量為1.67 x 10的負27次方千克？可能有一個標準的答案，但哪一位科學家的答案更接近問題的真相？基本粒子的質量應該是它們擁有的那樣，人們只是沒有發現能夠深入解釋的線索。例如：自然的4種基本力也許相互獨立，沒有“統一場論”預期的大“拼塊“，如果包括了引力在內的基本力彼此獨立，那麼大統一的“萬物理論”似乎沒有存在的必要。
量子引力理論有什麼不同之處？為了消除這一理論與自然科學中已知定律的衝突和矛盾，物理學家積極尋求能夠協調和化解衝突和矛盾的一種理論，在近代的引力定律和現代的量子力學之間尋求和解與平衡。引力理論和量子力學先後經歷了充分發展，在物理學史上各自形成了嚴密而龐大的理論體系，兩種形態的物理學在國民經濟和人類生活領域得到了廣泛應用，出版了一套接一套、一個版本續一個版本的教科書和科普讀物。在過去的幾個世紀，引力理論和量子力學得到無數次的檢驗，但當人們嘗試將各自驗證的理論體系放進統一的理論體系時卻發現，“不能將兩個雞蛋放進一個籃子”。
一個有效的量子引力理論能夠解決統一體系的失效問題，量子力學理論被應用到引力領域時，大統一理論將能消除兩者背道而馳的排異性，量子引力理論為引力場賦予了不可預測的帶有量子化特徵的隨機性和不確定性，可能存在發現量子引力的方法，人們在短期內難以找到。以雙縫實驗為例，從量子力學的觀點看來，一個電子在同一時刻穿過了兩道縫隙，在縫隙背後的檢測螢幕上留下一個波狀的干涉圖案。
但電子既不是一個單獨的波，也不是一個單獨的粒子，相反，電子的狀態由一種波函式進行描述，波函式是粒子和波互動作用的數學方程式。電子以量子疊加態的形式出現，它在這種條件下轉化為粒子態，而在那種條件下轉化為波態。電子在同一時刻出現在兩個不同的地點，在雙縫實驗中同時穿過了右邊和左邊的縫隙，直到某種測量的影響使得電子錶現了確定的狀態，如果沒有測量行為的影響，電子將保持疊加的狀態，電子的不確定行為與人們的直覺無關，電子的“非理性”行為經過了反覆的檢驗和核實。
“有理說不清”的波函式定義了粒子的奇異行為，在一種情形下，它表現了粒子的行為，在另一些情形下，它表現了波的行為。但電子在引力場如何表現？“輕如鴻毛”的電子有一丁點質量，而質量創造了引力場，當電子同時穿越左邊和右邊的縫隙時，自身的引力場隨之穿過了兩道縫隙，但廣義相對論描述的引力場不容許，廣義相對論不同於量子理論，電子在引力場的行為不同於波函式的描述，電子的引力場或者在這裡，或者在那裡，電子不可能將自身的引力同時拖動到兩個位置。當電子穿越雙縫時，量子理論不能描述引力的行為，但什麼理論將會揭示引力的量子行為？
剛開始的時候，理論物理學家認為有一種簡單的解決辦法，僅僅需要修正一下廣義相對論的描述，允許引力場在同一時刻出現在兩個地方，物理學家布萊斯·德維特和理查德·費因曼在1960年代開發了一個“修正理論”，但是，他們很快就注意到這一理論僅僅在低能量的層級上有效，而在高能量層級上，當時空變得十分彎曲時，產生了荒謬的無限解，這種直接的簡單化的量子化產生了荒謬的結果，僅僅能夠作為一種更為複雜理論的“近似解”，更完美的複雜理論不應當遭遇無限解的棘手難題，這種完整的、完美的理論到目前為止仍然是未知數，不會因為近期引力波的發現而獲得根本的突破，他們將這一“關榮與夢想”的理論稱之為“量子引力”。
物理學家第一次將引力量子化的嘗試失敗了，他們找到了主要的原因，當引力變得非常強大時，方程式的解變得沒有意義，好像當一個分數的分母變為零時，分數變得沒有意義。為什麼發生沒有意義的情況？當超乎想象的能量被壓縮到極小的時空區域時，現有的理論發生了“熔斷機制”，沒有一個完整的量子引力理論能夠描述超乎想象的能量集中現象，物理學家還不能解釋在黑洞內發生的物理過程，還不能解釋早期宇宙誕生的大爆炸起點。
黑洞發生了資訊丟失，這變成一個強烈的指示器，指明瞭建立量子引力理論的必要性。斯蒂芬·霍金在1974年發現在靠近黑洞視界的物質場產生了量子漲落現象，導致了粒子的產生，物理學家稱之為“霍金輻射”，導致了黑洞丟失物質，黑洞收縮到一定程度時，可能什麼也沒有，好像一個龐大的帝國在歷史長河中悄然消失了。在銀河系和其它星系的黑洞輻射量極少，透過霍金輻射失去了極少物質而言，而透過吞噬周圍的物體和氣體得到了大量物質，但一旦宇宙充分冷卻下來，宇宙膨脹使得黑洞輻射的過程變得不可避免，黑洞透過輻射逐漸蒸發，但持續數百億、數千億年時間。時間不會停止前行的腳步，黑洞終會消失，宇宙大地不再有徘徊的“黑洞幽靈”，到處充斥了近乎虛無的輻射。
除了溫度，霍金輻射不包含任何資訊，所有跌落到黑洞的資訊在蒸發過程中不可避免地銷燬了，自然和人類歷史將不會留下任何的記憶和記錄。量子理論的所有物理過程都可逆，至少在原理上如此，任何初期態的資訊總能恢復，這類資訊也許非常雜亂，不可辨識，比如：當人們燒燬了一本書，留下了煙塵和灰燼，但原則上說來，這些菸灰仍然包含了這本書的資訊。
在黑洞發生的情形有所不同，一本穿越了黑洞視界的書將一去不復返，這與量子力學的基本原理相牴觸，量子力學揭示了任何資訊的可儲存性。黑洞發生了資訊的丟失，這沒有影響到實際的觀測和預測，但這一問題引起了物理學家的心理焦慮，它關乎理論體系的健全和完美，物理學家一而再、再而三地表達了理論的迫切性，透過量子引力理論解決黑洞的資訊丟失難題，在非量子化的引力理論中，屢屢出現了不能解決的理論困境。
對非量子化的引力理論而言，黑洞和宇宙大爆炸存在難以克服的問題，它們的開始和結束都與一個奇點的產生相關，時空奇點似乎有無限的能量密度。其它理論也出現過相似的奇點概念，在所有的理論情形中，物理學家不得不承認，奇點的出現意味著這些理論的破產或終結，例如：流體力學方程式出現了奇點，這些方程式在低於原子尺寸的距離失去了作用，也許存在修正方程式失效的更為基本的理論，廣義相對論的奇點概念給出了一個提示：愛因斯坦的理論不是萬能的，它在奇點的世界變得不再適用，修正廣義相對論可能開啟“後愛因斯坦時代”。
很多物理學家相信，量子引力理論將為解決棘手的物理難題帶來希望，比如：暗能量的性質，三種已知基本力的統一，它們分別是強力、電磁力和弱力。科學家經歷了長時期的努力和探索，儘管有現代科學智慧和美麗心靈的完美結合，但引力的量子化問題在過去的80年仍然沒有解決，科學家也許不需要下一個80年，引力波的發現是一個很好的例證。物理學家迄今沒有找到引力量子化的答案，但他們沒有放棄未來的努力和探索，始終相信問題答案的存在，好像很多物理學家一直相信太空引力波的存在，超乎想象的科學發現也許就在前方。
（編譯：2016-2-25）
