已知宇宙的所有基本力都遵循量子力学定律，唯独引力例外。 找到将引力纳入量子力学的方法将使科学家们向“万物理论”迈进一大步，该理论可以从第一原理完全解释宇宙的运作方式。 在探索引力是否是量子的过程中，关键的第一步是探测长期以来假定的引力的基本粒子——引力子。 为了寻找引力子，物理学家们现在转向涉及微观超导体、自由落体晶体和宇宙大爆炸余辉的实验。
量子力学表明，一切都由量子或能量包组成，这些量子或能量包的行为既像粒子又像波——例如，光量子被称为光子。 探测引力子，即假设的引力量子，将证明引力是量子化的。 问题在于引力非常弱。 为了直接观察引力子对物质产生的微小影响，物理学家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson) 著名地指出，引力子探测器必须非常巨大，以至于它会自身坍缩形成黑洞。
“量子引力理论的问题之一是它们的预测通常几乎不可能通过实验验证，”荷兰代尔夫特理工大学的量子物理学家理查德·诺特 (Richard Norte) 说。 “这是存在如此多相互竞争的理论以及我们尚未成功理解它实际运作方式的主要原因。”
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在 2015 年，然而，现任澳大利亚阿德莱德大学的理论物理学家詹姆斯·夸奇 (James Quach) 提出了一种利用引力子的量子性质来探测引力子的方法。 量子力学表明宇宙本质上是模糊的——例如，人们永远无法同时绝对地知道粒子的位置和动量。 这种不确定性的一个后果是，真空永远不会完全空虚，而是充满了所谓的虚粒子的“量子泡沫”，这些虚粒子不断地出现和消失。 这些幽灵般的实体可能是任何类型的量子，包括引力子。
几十年前，科学家们发现虚粒子可以产生可探测的力。 例如，卡西米尔效应是在真空中彼此靠近放置的两面镜子之间观察到的吸引力或排斥力。 这些反射面由于虚光子闪烁出现和消失产生的力而移动。 之前的研究表明，超导体可能比普通物质更强烈地反射引力子，因此夸奇计算出，寻找真空中两片薄超导片之间的相互作用可能会揭示引力卡西米尔效应。 由此产生的力可能比基于标准虚光子的卡西米尔效应预期的力强大约 10 倍。
最近，诺特和他的同事们开发了一种微芯片来进行这项实验。 该芯片包含两个微小的镀铝板，这些镀铝板被冷却到接近绝对零度，从而变成超导状态。 其中一块板连接到一面可移动的镜子上，并向该镜子发射激光。 如果这些板因引力卡西米尔效应而移动，则从镜子上反射的光的频率将发生可测量的偏移。 正如 7 月 20 日在Physical Review Letters在线详述的那样，科学家们未能观察到任何引力卡西米尔效应。 这一零结果并不一定排除引力子的存在——从而排除引力的量子性质。 相反，它可能仅仅意味着引力子与超导体的相互作用不如先前工作估计的那么强烈，马萨诸塞理工学院的量子物理学家和诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克 (Frank Wilczek) 说，他没有参与这项研究，并且对它的零结果并不感到惊讶。 尽管如此，夸奇说，这“是一次勇敢的探测引力子的尝试”。
尽管诺特的微芯片没有发现引力是否是量子化的，但其他科学家正在探索各种方法来寻找引力量子效应。 例如，2017 年的两项独立研究表明，如果引力是量子化的，它可能会在粒子之间产生一种称为“纠缠”的联系，从而使一个粒子瞬间影响另一个粒子，无论它们在宇宙中的哪个位置。 一项桌面实验使用激光束和微观钻石可能有助于寻找这种基于引力的纠缠。 这些晶体将被保存在真空中，以避免与原子碰撞，因此它们将仅通过引力相互作用。 科学家们将让这些钻石同时掉落，如果引力是量子化的，那么每个晶体对另一个晶体施加的引力可能会将它们纠缠在一起。
研究人员将在钻石掉落后通过将激光照射到每颗钻石的中心来寻找纠缠。 如果晶体中心的粒子朝一个方向旋转，它们就会发出荧光，但如果它们朝另一个方向旋转，则不会发出荧光。 如果两个晶体中的自旋同步的频率高于偶然预测的频率，这将表明存在纠缠。 “世界各地的实验人员都渴望接受这一挑战，”荷兰格罗宁根大学的量子引力研究员阿努潘·马祖姆达 (Anupam Mazumdar) 说，他是其中一项纠缠研究的合著者。
麻省理工学院的宇宙学家艾伦·古斯 (Alan Guth) 说，寻找量子引力证据的另一种策略是观察宇宙微波背景辐射，即宇宙大爆炸的微弱余辉。 引力子等量子像波一样波动，最短的波长会有最剧烈的波动。 根据古斯广为支持的被称为暴胀的宇宙学模型，当宇宙在大爆炸后不到一秒的时间内急剧膨胀时，这些短波长将在整个宇宙中延伸到更长的尺度。 量子引力的这种证据可能在宇宙微波背景辐射的光子偏振或排列方式的漩涡中可见。
然而，这些漩涡图案（称为 B 模式）的强度很大程度上取决于暴胀的确切能量和时间。 古斯说：“暴胀的某些版本预测应该很快就会发现这些 B 模式，而其他版本则预测 B 模式非常弱，以至于永远无法探测到它们。” “但是，如果它们被发现，并且这些特性与暴胀的预期相符，那么这将是非常有力的证据，证明引力是量子化的。”
找出引力是否是量子化的另一种方法是直接寻找引力波中的量子涨落，引力波被认为是由宇宙大爆炸后不久产生的引力子组成的。 激光干涉引力波天文台 (LIGO) 于 2016 年首次探测到引力波，但古斯说，它的灵敏度不足以探测暴胀延伸到宇宙尺度的早期宇宙中波动的引力波。 维尔切克补充说，太空中的引力波天文台，例如激光干涉空间天线 (LISA)，有可能探测到这些波。
然而，在最近被期刊Classical and Quantum Gravity接受的一篇论文中，阿拉巴马大学亨茨维尔分校的天体物理学家理查德·刘 (Richard Lieu) 认为，如果引力子携带的能量与当前某些粒子物理模型所暗示的能量一样多，那么 LIGO 应该已经探测到引力子。 可能是引力子携带的能量比预期的要少，但刘认为这也可能意味着引力子不存在。 刘说：“如果引力子根本不存在，这对大多数物理学家来说将是个好消息，因为我们在发展量子引力理论方面一直很糟糕。”
尽管如此，设计消除引力子的理论可能并不比设计保留引力子的理论容易。 古斯说：“从理论的角度来看，很难想象引力如何避免被量子化。” “我不知道任何关于经典引力如何与量子物质相互作用的明智理论，我也无法想象这样的理论如何运作。”