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宇宙中的隐形粒子：引力子如何与重力互动？
在物理学中，重力一直是一个令人着迷的课题。随着对量子引力理论的深入探讨，引力子这一假设性粒子的存在愈加受到关注。引力子被认为是介导重力相互作用的基本粒子，至今尚无完整的量子场理论可以支持这一假设。
根据理论，引力子应该是一种无质量的自旋-2玻色子，因为重力的范围极长，且速度似乎达到光速。
引力子的理论基础
引力子的概念始于对引力相互作用的量子化探索。与电磁力、强力和弱力等其他自然力一样，引力子也被预言为一种基本粒子。理论上，这种粒子的存在将促使对重力的量子描述，而现有的物理模型，包括标准模型，则无法充分解释引力的量子性质。
在经典极限下，一个成功的引力子理论应该能够还原为广义相对论，而广义相对论又能在弱场极限下还原为牛顿的引力法则。这为理解宇宙的基本结构提供了新的视角。
历史背景
引力子的概念最早出现在1916年，爱因斯坦首次探讨量子化的重力辐射。随后在1934年，苏联物理学家首次使用「引力子」一词，并于1959年由保罗·狄拉克在讲座中重新引入该名词。古典物理学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯早在牛顿之前就已预见了重力是由粒子介导的。
与光子的预测类似，拉普拉斯对「引力子」的理解并未与量子力学或相对论相连结，因为这些理论在他生活的时代尚未出现。
引力子与重正化问题
在描述引力子相互作用过程中，采用费曼图的方法表现良好，但当进入至少两个循环的情境时，则会出现紫外发散。这些无穷的计算结果无法消除，因为量子化的广义相对论无法在微扰理论中正则化，这使得物理学家在计算引力子发射或吸收概率时，产生了无法预测的结果。
这一缺陷表明，为了描述接近普朗克尺度的行为，我们需要一个比量子化的广义相对论更为统一的理论。
与其他力的比较
引力子在广义相对论中扮演着重要角色，同时也定义了事件发生的时空。在某些描述中，能量改变了时空的「形状」，而重力正是这种形状的结果。这一观点有时使人难以将重力理解为粒子之间的相互作用。
与标准模型不同，广义相对论被认为是背景独立的，即不依赖于特定的时空背景。这使得在建立量子引力理论时，是否仍应保持背景独立性成为了一个未解的问题。
能量与波长的关系
虽然引力子被认为是无质量的，但它们仍然会携带能量。引力子的能量尚不明确，若引力子存在质量，则其波长和质量能量之间的关系将会被计算出来。在此背景下，引力子的康普顿波长至少为1.6×1016米，相当于约1.6光年。
这种波长与质量能量的关系可通过普朗克-爱因斯坦关系来计算。
实验观测
尽管在理论上可以检测引力子，但由于其与物质的相互作用截面极低，无法使用任何现实的检测器来明确检测个别引力子。即便是设计出像木星一样大的检测器，预期在最理想的情况下也仅能每十年检测到一个引力子。
检测引力子的另一种可能性是利用量子感测。尽管如此，LIGO和佛吉亚合作者观测到的引力波并非专为检测引力子而设，但这些观测可以提供引力子某些性质的线索。
困难与未解决的问题
大多数包含引力子的理论都存在严重的问题。当尝试通过增加引力子来扩展标准模型或其他量子场论时，常会在接近或超过普朗克能量范围时遇到理论困难。这是由于量子效应所引起的无限大问题，导致重力无法正则化的现象。
一些物理学家甚至提出，将粒子替换为弦可能是解决方案之一。
引力子的未来研究将如何影响我们对重力的理解，以及宇宙命运的探索，仍然是个开放性问题?
