量子引力检验即将到来

在确定正确的量子引力理论之前，研究人员需要知道引力是否真的是量子化的。目前相关实验检验正在发展之中。

量子力学可以说是我们拥有的最严格有效的科学理论，但它不可能是物理世界的终极理论，因为它与爱因斯坦的引力理论——广义相对论不相吻合。这两种理论可以协调起来吗？还是说其中一种必须被别的理论所取代？

图源：Unsplash / Hassaan Here

量子力学和广义相对论之间的僵局已经持续了许多年。一些顶尖的物理学家视广义相对论为至高无上。来自伊利诺伊大学的诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特怀疑地表示，如果你将量子力学推至极致，它将会崩溃，而其他理论将取而代之。另一位诺贝尔物理学奖获得者、英国牛津大学的教授罗杰·彭罗斯在1989年就写道：“人们必须强烈意识到一种可能性，即将量子力学应用于宏观物体显然是错误的。”

大多数物理学家认为，莱格特所说的“其他理论”将是量子力学和广义相对论的联姻：一种有关引力的量子理论。没有人知道这个理论会是什么样子，目前的诸多努力（其中弦论是最著名的例子）还没有做出可供实验检验的预言。

新泽西州史蒂文斯理工学院的Igor Pikovski说道，到目前为止，所有将广义相对论量子化的尝试都没有得到令人满意的答案。但他和其他人提出了一个可能更简单的问题，这个问题不是问什么是量子引力理论，而是问引力本身是否是量子化的？

引力场是否必须被量子化并不是绝对的，尽管自然界其他三种基本力（电磁力、强核力和弱核力）都是用量子力学术语来描述的。伦敦大学学院的Sougato Bose说：“关于引力是量子的还是经典的，这其实是一个悬而未决的问题”。Pikovski说，这个问题是“现代物理学最大的挑战”。

Bose认为，与寻找引力的量子理论相反，简单地问引力是否是量子的不仅可能有一个明确的答案，而且这个问题在不久的将来可以通过实验来回答。Pikovski说，如果引力被证明不是量子的，那么“当引力与量子系统相互作用时，一些非常基本的东西必须被打破。因此，无论这个大难题如何被解决，都将彻底改变物理学。”

Bose和Pikovski是目前计划进行实验的成员之一，他们希望这些实验能在不久的将来得出答案。这些实验需要超越当前测量精度的限制，但研究人员表示，相关技术已经建立得很好；所需要做的就是改进现有的方法。“这是一个激动人心的时刻，”Pikovski说道。

方程的两边

一般来说，广义相对论被用于预测非常大质量物体的行为，如恒星和星系，而量子力学则描述非常小的物体，如原子和基本粒子。但当大质量物体遇到非常小的物体时，可能会出现问题。例如对于黑洞，广义相对论预言物质可以坍塌到一个称为奇点的无穷小点，但量子力学却设定了一个最小尺寸——普朗克长度——比这个尺寸更小时，时空的经典图像就会崩溃。

但我们无需深入黑洞内部，就能看到这两种理论之间的紧张关系，它在爱因斯坦的广义相对论方程中就已经很明显了，该方程将物体的质量和能量与物体产生的时空曲率联系起来。曲率在方程中表现为一个连续的经典变量，但我们从量子力学中知道，能量和质量通常采用一个具有分立值的量子描述。

理论学家已经用了各种方式来处理这种明显的不一致性。彭罗斯认为如果广义相对论是经典的，那它就可能会“破坏”量子力学。例如，考虑一个处于位置叠加态的量子物体，它被观测时可以处于多个位置。因为物体的质量，这种状态要求多重时空的叠加，每一个时空都处于不同的弯曲状态。彭罗斯认为，对于质量足够大的物体，维持叠加态所需的能量将变得过大，导致叠加态无法维持稳定。所以物体的质量越大，那么引力就越可能使得叠加态“塌缩”形成单一位置态，从而“迫使”其失去量子性而成为经典粒子。

另外一种可能是，虽然质量是一般量子化的，但其行为依然表现得它好像是由一个连续、经典参数描述的有效值，正是这个有效值控制着时空曲率——从而保持了时空曲率的经典性。当前这种“混合理论”已经很少有支持者了，但原则上它们依然是一个选择。

更多研究者相信引力必须是量子化的。伦敦帝国理工学院的宇宙学家Claudia de Rham说，如果引力根本上是一种经典现象，那么具有质量的任意物体，如电子，通过引力相互作用，都应该能够使我们同时精确确定其位置和动量，而这是被量子力学所禁止的。她说，这种基于引力的精确定位将严重破坏量子计算，导致观测到某些测量结果的概率变成负值或者大于100%，乃至复数。

“从这个角度看，”de Rham说，“引力的量子本质不仅是一种可能性，而且是绝对必须的，否则我们所知道的自然界法则都将崩溃。”加州理工学院的Kathryn Zurek同意这种观点：“我们相信引力是量子的，因为我们相信物理学应该如此！”然而，大多数研究者认为这个想法必须经过检测。毕竟，Zurek说：“物理学是一门经验学科。”

引力叠加

2017年，Bose和他的同事以及另一个独立工作组，提出了一个利用量子纠缠来检验引力量子本质的实验。量子纠缠是量子物体相互作用使得它们相互依赖的一种现象，Bose和同事认为，只有通过量子场相互作用才能使两个物体之间产生纠缠，而经典场是不能产生纠缠的（尽管可能存在某些例外）。

研究人员的想法是制备两个处于位置叠加态的质量粒子，并确保它们仅通过引力发生相互作用。要产生这样的位置叠加态，他们建议采用一种称为施特恩—格拉赫干涉仪的技术：一个量子粒子通过干涉仪，使得其位置分裂成两束沿不同路径传播的波，然后作为叠加态重新合并。科研团队理论上证明，如果发现两个质量粒子间产生了纠缠，那么引力一定是量子的。

这个实验的一个挑战是仅通过引力来耦合两个量子物体，同时确保它们之间没有电磁相互作用。采用不带电粒子会有所帮助，但它们依然会通过卡西米尔效应来传递电磁相互作用。卡西米尔效应源于一个物体会在另一个物体的电子云中“感受”到涨落，这种影响可以延伸至几微米大小。

同时因为引力相比于其他力十分微弱，它仅在物体质量很大时才会显著地耦合两个相对分离的物体。然而，物体的质量越大，就越难把它制备成明确的叠加态。

Bose和他的合作者估计，质量大约为10-14 kg的物体应该是最佳选择，比如直径为几十个纳米大小的钻石晶体：它们质量足够大到能感受到另一个的引力，同时依然足够小到可以制备明确的量子叠加态。团队发现，将一对这样的纳米晶体放置在激光光镊中且相距100 ?m左右，那么它们所感受到的引力相互作用应该比任何残余的卡西米尔力大十倍左右。

揭示引力量子化的一个潜在信号，就是两个带质量物体能纯粹通过引力相互作用而形成量子纠缠态。为此，物体必须足够小以便处于明确的量子态，但同时又要足够大以便彼此间有显著的引力相互作用。纳米颗粒，比如2020年维也纳大学的研究人员将直径为150 nm的二氧化硅粒子放置在量子基态，可能是一个恰当的尺寸。

研究人员设想为每个纳米晶体赋予单个量子自旋，这一自旋可以在每个晶格中由一个被称为氮-空位中心的单个缺陷产生。这些晶体处于位置的叠加态，意味着每个晶体均可被视为同时处于两个不同的位置，从而与另一个晶体具有不同距离，并对它施加不同的引力吸引。根据标准的量子力学——同时假设引力是量子的——这些条件将自动在两个自旋中产生纠缠，这种纠缠将在自旋测量中产生可被观测的关联。

2024年，Bose和同事提供了实验的另一个版本，实验中将其中一个纳米晶体当作探测器，对另一个初始处于叠加态的纳米晶体进行测量。如果这种探测干扰了叠加态，那么引力的“量子性”也就被揭示了出来。

两种情况都极具挑战性。Bose估计，通过实验来实现其中一种情况都将耗时十年以上。最大的难点在于将相对大的物体制备成量子叠加态。纳米晶体需要被冷却到它们毫无疑义地处在最低能级的量子态。2020年，研究人员采用150 nm宽的二氧化硅晶体实现了这种冷却。但将这种基态物体制备成位置叠加态依然有巨大挑战，尽管最近有研究人员宣称对含有大约7000个钠原子的纳米颗粒做到了这一点。

找寻引力子

Pikovski和合作者提出了不同的方案来探寻引力的量子本性。如果引力是量子场，那么它将有一种被称为引力子的相关粒子成为力的媒介，正如电磁力是由光子来传递的一样。“最近，我的研究组（在理论上）证明人们可以通过量子传感来探测单个引力子，”他说。

其基本理念是，一个质量体在它的自然共振频率可能释放或吸收单个引力子，这可由一些天体物理源普遍存在的引力波背景嗡嗡声所激发。“如果谐振器和经过的波具有相同频率，引力子就可以被吸收，引力子的能量就会转化为振动”，Pikovski说。团队将在振动能量中看到一个分立的跳动。这个概念类似于20世纪60年代用来探测引力波的大金属圆柱体——不同之处在于，Pikovski的实验被调整为探测单个引力子。

在环境引力场中的单个引力子基本没有被吸收或检测到的机会。Pikovski说，“但是穿越的引力波有数量巨大的引力子，大约有1036个,所以有一定几率其中的一个被吸收”。研究人员计算了谐振器的理想质量是几千克。尽管存在巨大挑战，Pikovski说已经有几个研究团队对挑战该实验感兴趣。从一个提案到实际探测，LIGO计划经历了50年，最终于2015年探测到引力波，“在当前技术条件下，我很自信这个实验可以更快完成”，他说。

然而，Zurek提出了另外一个方案来证明引力是量子化的：她们在一个被称为GQuEST的实验里，提出利用光束的散射来找寻时空中的量子涨落。她说，这些量子涨落类似于真空中那些连续产生粒子—反粒子对的涨落。如果引力是量子的，那么量子引力的涨落将在大范围频率内产生微弱的皱褶时空的引力波。

此前大家广泛认为这种效应太过微弱乃至不能在实验室中被观测到，因为这些涨落哪怕存在，也只在10-35 m的尺寸上显现。所以，“当我2017年开始研究这一课题时，人们感到颇为不安”，Zurek说，“我们在引力如何工作的问题上挑战了传统智慧”。这个探测方案中的关键是，一些涨落将会是很多引力子集体行为的结果——足以成为潜在的观测结果。

GQuEST实验将通过这些集体引力波模式在激光束中寻找单个光子的散射。Zurek和同事希望通过使用臂长7 m的干涉仪来逐个发现这些散射光子。当然还有其他的光子散射源，但是由量子引力所诱导的散射将具有其自身特征，如对设备尺寸和干涉臂之间夹角的特定依赖性。

目前加州理工学院正在建造GQuEST干涉仪，但由于很难达到所需的灵敏度，实验的开始日期尚未确定。Zurek说，理论工作正在进展当中：“我们还没有计算出探测的每一个细节，我也仍未理解透彻。”

然而Pikovski对这些研究的前景持乐观态度，“我能想象触及引力量子特征的实验将在几年或十几年内成熟，特别是现在正在探索的一些新想法和修正方案。”

天空中的量子引力

探测到量子引力的印迹并不局限于实验室中的高精度实验。“证明引力量子特征最有前景的方式之一是在天空中寻找其迹象，”deRham说。她和有些人相信如果引力是量子的，那量子涨落应该使时空在量子尺寸上变得粗糙。这种粗糙应该从宇宙诞生之初就留下了印迹。特别是，这些量子涨落应该产生一种原初引力波背景，它将在宇宙微波背景辐射中留下极化的特征模式。

极早期宇宙时空中的量子涨落——量子引力的一种特征——也许可以在将来高精度的观测中通过宇宙微波背景辐射的极化模式被检测到。这里的色阶表示了宇宙微波背景中极小的温度差别，而纹理指示极化方向。

绘制这种极化的努力正在取得进展。但是从中找到（或排除）所预期的原初引力波模式依然极具挑战性，因为辐射在穿行宇宙的旅途中将受到各种相互作用特别是尘埃的影响。2014年，合作组利用南极的BICEP2望远镜宣称看到了原初引力波，但后来显示所观测到的极化实际上是由我们银河系中的尘埃所导致。

de Rham表示，要在宇宙微波背景中鉴别真正的原初极化，并检验它是否与引力的量子图像一致，我们可以寄希望于一些观测仪器，例如气球搭载的SPIDER微波探测器和位于智利的塞蒙斯天文台望远镜。如果足够幸运，她补充道，这些数据也许会提供一些引力子的信息，比如它的质量。对于这些基本问题的信息缺失，显示当前研究人员对于引力的量子描述依然知之甚少，但是随着解决这个现代物理核心问题的努力越来越多，我们有理由相信一些答案将很快到来。