T我们在对物理世界的认知中存在一个明显的空白：我们现有的完善理论都无法描述引力的量子性质。然而，物理学家们预计，这种量子性质对于解释极端情况至关重要，例如宇宙的早期和黑洞的深处。理解它的必要性被称为“量子引力”问题。
已确立的经典引力概念是爱因斯坦的广义相对论。这个非常成功的理论已经正确预测了从光线弯曲和水星轨道到黑洞和引力波的现象。它告诉我们，空间和时间的几何结构——时空——是由引力决定的。因此，当我们谈论引力的量子行为时，我们实际上是在谈论时空的量子行为。
我们目前还没有一个已确立的量子引力理论，但我们确实有一些初步的理论。其中，圈量子引力（我们其中一位作者 Rovelli 帮助开发了该理论）和弦理论是两个主要的竞争者。前者预测时空的结构是由微小的环网络编织而成的，而后者则假设粒子从根本上是振动的弦。
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测试这些理论很困难，因为我们无法在实验室中研究早期宇宙或黑洞内部。物理学家们大多认为，能够直接告诉我们量子引力信息的实验需要多年以后的技术。
这种情况可能正在改变。最近的发展表明，有可能进行实验室实验，揭示引力的量子行为。这种潜力非常令人兴奋，并且引起了理论物理学家和实验物理学家的真正热情，他们正在积极尝试开发进行调查的方法。拟议的实验可以测试量子引力理论的预测，并为它们所基于的假设提供支持。
这些实验都涉及在低能量下发生的事件，在这些能量下，弦、环等的预测结果一致，因此它们不会告诉我们哪种特定的量子引力理论是正确的。尽管如此，引力实际上是量子化的实验证据将是开创性的。
我们已经有很多关于引力对物质量子行为影响的观测。阿尔伯特·爱因斯坦的理论在这些情况下运行良好，从恒星动力学到星系团的宇宙学形成，一直到地球引力对量子系统影响的实验室实验。但在所有这些场景中，引力本身的行为方式与经典物理学一致；它的量子特征无关紧要。更困难的是观察我们期望引力以量子力学方式表现的现象。
我们两人都在量子引力领域工作了整个职业生涯——Rovelli 作为物理学家，Huggett 作为哲学家。我们都非常热衷于探索这些实验可以告诉我们关于量子引力的什么，以及不能告诉我们什么。如果它们能够实现，我们或许能够首次看到空间和时间本身是量子的。
T我们两人最近在一次会议的休息期间讨论了这些进展。在英国牛津的一家咖啡馆里喝咖啡时，我们提出了一个简单的思想实验，说明如何揭示引力的量子性质。（艾克斯-马赛大学的亚历杭德罗·佩雷斯，以及以色列理工学院的内塔内尔·H·林德纳和阿舍·佩雷斯，在暗物质探测方面的工作中，此前已经讨论过相关的想法。）
我们的想法涉及“干涉”，这在揭示量子力学的许多方面至关重要。干涉是一种适用于波的现象，无论是量子的还是非量子的。所有波都有波峰和波谷的模式；两个波峰或波谷之间的距离是波长。如果两个波的波峰在一点相遇，它们会结合起来产生一个高度是单独波峰两倍的波峰，当两个波谷相遇时，你会得到一个深度是单独波谷两倍的波谷。这种干涉被称为相长干涉。那么，相消干涉是指波峰和波谷重叠并相互抵消的情况。
珍·克里斯蒂安森
在 19 世纪，干涉使科学家托马斯·杨证明了光像波一样运动。他将光线照射通过两条狭缝，在它们后面的屏幕上投射图像。来自每条狭缝的波传播相同的距离到达两条狭缝正中间的点，因此它们的波峰同时到达该点，并产生相长干涉——这就是杨看到最亮光的地方。在沿墙壁向光源右侧更远的点，来自左侧狭缝的波必须比来自右侧狭缝的波传播稍远的距离，因此波峰和波谷不再对齐，并且叠加波的高度减小。最终，会有一个点，来自左侧的波必须比来自右侧的波传播半个波长更远，波峰与波谷对齐，产生相消干涉；在这里，杨没有看到光。这种模式，被称为“杨氏干涉条纹”，沿着墙壁重复出现，表明光实际上是一种波。
珍·克里斯蒂安森
杨氏实验纯粹是经典实验，但对这种装置的改进对于量子物理学变得重要。1923 年，物理学家路易·德布罗意提出，量子物体可能不像通常认为的小型台球，而是像波一样运动。如果是这样，像中子这样的粒子也应该在双缝实验中产生干涉条纹模式——事实上，正如 20 世纪 80 年代用核反应堆产生的中子所证明的那样，它们确实产生了干涉条纹。
令人惊讶的是，当每次只有一个中子通过双缝时，这些实验也会产生相同的结果。即使是一个单独的中子通过实验，也会产生干涉，这意味着它以某种方式与自身发生干涉。只有当中子表现得像两条不同路径的波时，才会发生这种情况。由于同时出现在两个地方的想法对于经典粒子来说是如此陌生，因此采用了一个新术语；我们说中子处于“叠加态”，既在这里又在那里。
量子怪异的这一部分是否适用于引力？它是否适用于空间和时间？为了解决这些问题，我们转向广义相对论，它告诉我们质量（或更普遍的能量）的存在意味着附近的时空将被弯曲。反过来，这种曲率意味着物体会自然地向质量方向偏转，从而解释了它的引力吸引力。这种时空曲率也意味着时钟在靠近质量时走得更慢。这种效应可以用于将量子力学和引力结合在一起的干涉实验中——这是表明引力是量子力学的一步。
珍·克里斯蒂安森
假设一个中子，以波的形式，被一面镜子分成两部分，该镜子反射和透射等量的波。两个产生的量子波传播到屏幕的不同路径：一条路径平行于地面然后向上传播，另一条路径向上然后平行于地面传播，每条路径形成一个矩形的两条边。当它们离开镜子时，波是同步的，但由于地球的引力，沿着较低路径传播的波振荡得更慢，并且它的波峰将比沿着较高路径传播的波稍晚到达。（垂直段的影响对两者是相同的。）结果是纯粹由时空曲率引起的量子干涉。
珍·克里斯蒂安森
物理学家在 1974 年提出了这样一个实验。第二年，普渡大学的罗伯托·科莱拉和阿尔伯特·W·奥弗豪瑟与当时在福特汽车公司担任研究科学家的塞缪尔·A·沃纳合作，并成功地进行了实验。该团队观察到了预测的干涉条纹模式，直接证明了引力对粒子量子行为的影响，这令许多科学家非常兴奋。但即使实验中的中子表现出量子力学行为，在这种情况下，引力也可以用广义相对论来描述，因此它仍然是经典的，而不是量子的。
新提案的突破在于，它们旨在更进一步，首次证明引力，像中子、光和所有其他量子物体一样，也具有量子性质。
A根据广义相对论，所有物质，无论是行星、尘埃还是中子，都会影响时空曲率。小物体产生的时空变形是微小的，但它仍然会发生。但是，如果一个小物体处于位置的量子叠加态呢？由于每个位置都会产生不同的时空几何，物理学家预计结果将是几何结构的量子叠加态。就好像时空同时具有两种形状。我们希望有一天能在实验室中看到引力的这种量子怪异性。
我们在牛津那天想出的简单思想实验表明，原则上可以如何做到这一点。想象一下，你让光线照射通过处于叠加态的物体。光线将穿过两种时空几何结构的叠加态。在一种几何结构中，它可能远离物体，在这种情况下，引力的影响可以忽略不计，它将沿直线传播到屏幕。在另一种几何结构中，它将足够靠近物体，以至于必须考虑引力，因此它将沿着弯曲的路径传播到屏幕。这两种不同的路径意味着，当波在屏幕上重新组合时，它们会发生干涉并产生明显的干涉条纹模式。
珍·克里斯蒂安森
至关重要的是，除非引力可以以叠加态存在——换句话说，除非引力本身是量子化的，否则不会出现干涉。相反，如果引力从根本上是经典的，则不会产生这种干涉。也许，正如数学家和诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯所论证的那样，自然选择了其中一种叠加的几何结构，导致处于叠加态的质量“选择”一个单一的位置。或者，也许存在一个与处于其可能位置平均位置的单个质量相对应的单一几何结构。无论哪种方式，都不会存在几何结构的叠加态，并且光线将沿单一路径传播，并且无法与自身发生干涉。因此，如果在这样的实验中发生干涉条纹，根据标准物理学，它们将显示引力的量子行为，例如几何结构的叠加态——这是迄今为止任何实验都未实现的重大成果。
进行这样一个实验的前景如何？一方面，我们置于叠加态的物体质量越大，对引力的影响就越大，从而对光线的影响也越大。另一方面，虽然每个物体从根本上都是量子力学的，但大多数大型日常事物本质上不可能在叠加态中观察到，因为它们与环境的相互作用太多，掩盖了任何干涉。我们称这种效应为“退相干”。物体越大，它与环境相互作用的机会就越多，退相干就越严重；克服这种效应而隔离系统的科学家赢得了诺贝尔奖。
因此，我们的实验被拉向了两个方向。我们需要足够大的东西让我们看到引力效应，但又需要足够小的东西让我们看到它的量子性质。我们必须找到最佳平衡点。
量子引力的特征在于三个自然常数：光速、描述引力强度的艾萨克·牛顿常数和描述量子现象尺度的普朗克常数。算术上将它们组合起来会产生约 20 微克 (μg) 的特征“普朗克质量”。这大约相当于跳蚤卵或几毫米长的头发的质量：不大，但与大爆炸中涉及的能量不同，绝对在人类尺度上。我们希望搜索的最佳平衡点可能在这个质量附近，它同时涉及引力和量子力学常数。
最近，科学家们能够将质量为该质量的物体置于相隔 20 亿分之一纳米的位置的量子叠加态。然而，这种分离仍然小于我们进行测试以产生可见效果所需距离的十亿分之一。情况似乎令人绝望，但对于实验主义者来说，这听起来像是一个挑战。实验室正在努力更好地控制普朗克质量物体的量子行为，并观察比 20 微克轻许多倍的质量的引力效应。
但是，如果我们想观察干涉条纹模式，我们不能只是用光照射处于叠加态的物体。即使在普朗克质量物体的引力场中，效果也会太小。为了让我们有任何机会观察到我们所寻求的东西，光线需要 10−32 米的波长——再次处于仅在大爆炸中才能找到的不可及的领域。
W如果我们不使用光，而是使用第二个量子质量来靠近原始质量并利用其量子波性质呢？质量越大，引力就越大——质量移动得越慢，质量体验引力的时间就越长。这两种效应是显着的：如果两个质量是普朗克质量的万分之一，干涉条纹应该是可以观察到的，这与目前的实验能力非常接近。
2017 年，关于另一种测量实验室量子引力效应的两篇论文引发了物理学家们的极大兴奋。该研究提出了一种观察时空几何结构叠加态的策略，该策略比我们两人提出的策略更微妙，并且可能更接近实现。两者都建立在理论和实验的最新进展之上，这些进展使引力和量子物理学更加接近。两者都从理论物理学家理查德·费曼 1957 年提出的一个最初由苏联物理学家马特维·勃朗斯坦提出的想法中获得灵感。
从两个普朗克质量粒子开始，每个粒子都处于位置的量子叠加态。组合起来，这对粒子处于四种可能性的叠加态：一种是它们彼此靠近，两种是它们（远）距离更远，还有一种是它们在实验中距离最远。由于时空几何结构取决于粒子之间的距离，因此粒子排列的不同可能性对应于不同的几何结构。再一次，粒子叠加意味着引力也处于量子叠加态。
珍·克里斯蒂安森
根据量子理论，静止的量子粒子是一种波，其振荡频率取决于其能量，因此它是一种时钟。但正如我们提到的，引力会影响时钟的运行速率。特别是，粒子在它们的不同排列中以不同的速率振荡：它们越靠近，振荡得越慢。结果，叠加的排列彼此失去相位。与之前一样，当波失去相位时，它们会经历干涉，在这种情况下，干涉可以用两个粒子之间称为“纠缠”的特征量子关联来测量。
珍·克里斯蒂安森
来自量子信息理论的基本结果表明，除非粒子相互作用通过的引力场处于量子叠加态，否则无法观察到纠缠。因此，观察两个粒子的纠缠是证明引力场量子力学行为的另一种方法。2019 年，Rovelli 与维也纳量子光学和量子信息研究所 (IQOQI) 的 Marios Christodoulou 发表了一篇论文，认为如果引力确实是由时空几何结构的变形引起的，那么测量这种纠缠将提供证据，证明时空几何结构可以被置于叠加态——可以说，空间和时间是量子的。
2017 年的提案，以及时空物理学与量子信息领域的这种融合，引起了实验、理论和哲学方面的重大反响。我们都是一个名为时空量子信息结构 (QISS) 的研究联盟的成员，该联盟正在理论上和实验上详细阐述这些想法。例如，IQOQI 的一个小组一直在开发纠缠实验所需的实验技术。QISS 中的其他小组已经阐明了实验的理论和哲学意义，并提出了测量纠缠的替代方法。
QISS 合作涉及像 Huggett 这样的哲学家似乎令人惊讶。但是，从古代到 17 世纪的博学家牛顿和戈特弗里德·威廉·莱布尼茨、19 世纪的科学家亨利·庞加莱、爱因斯坦和许多其他人，都存在对空间和时间进行哲学研究的传统。当空间和时间等基本概念需要重新思考时，我们需要能够带来高水平分析和概念——即哲学——清晰度的人。例如，Huggett 最近在一本与科学哲学家 Niels Linnemann 和 Mike D. Schneider 合著的书中探讨了引力纠缠的含义。
T这不是科学家第一次设想旨在测试可能的量子引力现象的实验室实验。但据我们所知，过去的所有提案都涉及要么无法观察到的微小效应，要么是实际上并非由关于量子引力的合理假设预测的极其投机性的效应。Rovelli 记得他第一次遇到新的引力诱导纠缠实验的想法时的惊讶：一种很可能变得可测试且我们期望是真实的现象。
未来几年要进行这样的试验还有很长的路要走（而且要实现我们自己的思想实验，道路会更长）。但是，如果它们能够成功完成，它们将测试几乎所有理论都认同的低能量领域。如果研究人员发现时空处于叠加态的证据，那么他们将获得关于量子引力理论基本假设的第一个直接证据。我们将大大排除引力是经典的可能性，这是一个重大且先前出乎意料的进步。更重要的是，实验主义者将达到物理世界的新视野，在宏观实验室中产生一个可观察到的量子的时空区域。物理学终于具体地进入了一个现在仍然是假设的领域。
如果未观察到叠加迹象，那么实验将反而支持引力本质上是经典的推测，这会使物理学界的大部分期望落空，并将过去 40 年的大量工作推入危机。这样的结果将需要对我们对世界的理解以及量子理论和引力之间联系进行重大修正。
无论哪种情况，其影响都将是重大的。