如果說廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一，那么量子理論作為我們借此了解基本粒子以及凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)理論就是現(xiàn)代物理的另一支柱。然而，如何將量子理論中的概念應(yīng)用到廣義相對論的框架中仍然是一個未能解決的問題。
彎曲時(shí)空中的量子場論
作為現(xiàn)代物理中粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)，通常意義上的量子場論是建立在平直的閔可夫斯基時(shí)空中的，這對于處在像地球這樣的弱引力場中的微觀粒子的描述而言是一個非常好的近似。而在某些情形中，引力場的強(qiáng)度足以影響到其中的量子化的物質(zhì)，但不足以要求引力場本身也被量子化，為此物理學(xué)家發(fā)展了彎曲時(shí)空中的量子場論。這些理論借助于經(jīng)典的廣義相對論來描述彎曲的背景時(shí)空，并定義了廣義化的彎曲時(shí)空中的量子場理論。通過這種理論，可以證明黑洞也在通過黑體輻射釋放出粒子，這即是霍金輻射，并有可能通過這種機(jī)制導(dǎo)致黑洞最終蒸發(fā)。如前文所述，霍金輻射在黑洞熱力學(xué)的研究中起到了關(guān)鍵作用。
量子引力
物質(zhì)的量子化描述和時(shí)空的幾何化描述之間彼此不具有相容性，以及廣義相對論中時(shí)空曲率無限大（意味著其結(jié)構(gòu)成為微觀尺度）的奇點(diǎn)的出現(xiàn)，這些都要求著一個完整的量子引力理論的建立。這個理論需要能夠?qū)诙磧?nèi)部以及極早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相關(guān)的時(shí)空幾何需要用量子化的語言來敘述。盡管物理學(xué)家為此做出了很多努力，并有多個有潛質(zhì)的候選理論已經(jīng)發(fā)展起來，至今人類還沒能得到一個稱得上完整并自洽的量子引力理論。
量子場論作為粒子物理的基礎(chǔ)已經(jīng)能夠描述除引力外的其余三種基本相互作用，但試圖將引力概括到量子場論的框架中的嘗試卻遇到了嚴(yán)重的問題。在低能區(qū)域這種嘗試取得了成功，其結(jié)果是一個被接受的描述引力的有效（量子）場理論，但在高能區(qū)域得到的模型是發(fā)散（且不可重整化）的。
試圖克服這些限制的嘗試性理論之一是弦論，在這種量子理論中研究的最基本單位不再是點(diǎn)狀粒子，而是一維的弦。弦論有可能成為能夠描述所有粒子和包括引力在內(nèi)的基本相互作用的大統(tǒng)一理論，其代價(jià)是導(dǎo)致了在三維空間的基礎(chǔ)上生成六維的額外維度等反常特性。在所謂第二次超弦革命中，人們猜測超弦理論以及廣義相對論與超對稱的統(tǒng)一，超引力，能夠構(gòu)成一種十一維模型，M理論，的一部分?？茖W(xué)家認(rèn)為這種模型能夠成為具有唯一性定義且自洽的量子引力理論的基礎(chǔ)。
另外一種嘗試來自于量子理論中的正則量子化方法。應(yīng)用廣義相對論的初值形式（參見演化方程一篇），其結(jié)果是惠勒-得衛(wèi)特方程（其作用類似于薛定諤方程）。雖然這個方程在一般情形下定義并不完備，但在所謂阿西特卡變量的引入下，從這個方程能夠得到一個很有前途的模型：圈量子引力。在這個理論中空間是一種被稱作自旋網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在離散的時(shí)間中演化。
取決于廣義相對論和量子理論中的哪些性質(zhì)可以被接受保留，并在什么能量量級上需要引入變化，對量子引力的嘗試?yán)碚撨€有很多，例如動力三角剖分、因果組合、扭量理論以及基于路徑積分的量子宇宙學(xué)模型。
所有這些嘗試性候選理論都仍有形式上和概念上的主要問題需要解決，而且它們都在面臨一個共同的問題，即至今還沒有辦法從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證量子引力理論的預(yù)言，進(jìn)而無法通過多個理論之間某些預(yù)言的不同來判別其正確性。在這個意義上，量子引力的實(shí)驗(yàn)觀測還需要寄希望于未來的宇宙學(xué)觀測以及相關(guān)的粒子物理實(shí)驗(yàn)逐漸成為可能。
