它开始像一个教科书式的物理实验，一个球连接着一个弹簧。如果一个光子撞击球，冲击力会使它非常轻微地振荡。但这里有个问题。在到达球之前，光子会遇到一个半镀银的镜子，它会反射一半的光，让另一半通过。
接下来发生的事情取决于两个经过严格检验但相互冲突的理论中哪个是正确的：量子力学或爱因斯坦的广义相对论；它们分别描述了宇宙的小尺度和大尺度特性。
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在一种被称为“叠加”的奇怪的量子力学效应中，光子同时通过并从镜子向后反射；然后它既撞击又没有撞击球。如果量子力学在宏观层面起作用，那么球既会开始振荡，又会保持静止，进入两种状态的叠加。由于球具有质量，其引力场也将分裂成叠加。
但是根据广义相对论，引力会使球周围的空间和时间弯曲。该理论不能容忍空间和时间以两种不同的方式弯曲，这可能会使叠加不稳定，迫使球采用一种或另一种状态。
知道球会发生什么可以帮助物理学家解决量子力学和广义相对论之间的冲突。但是，此类实验长期以来被认为是不可行的：只有光子大小的实体才能处于量子叠加状态，并且只有球大小的物体才具有可检测的引力场。量子力学和广义相对论在不同的领域中占主导地位，并且似乎仅在极其密集，量子大小的黑洞中汇聚。正如物理学家弗里曼·戴森在2004年写道，“它们预测之间的任何差异都是物理上无法检测的。”
在过去的两年中，这种广泛持有的观点已经开始改变。借助新的精密仪器和巧妙的方法来间接探测难以察觉的影响，实验人员现在正采取措施研究量子力学和广义相对论之间的界面，进行诸如光子和球之类的测试。新的实验可能性正在重振长达80年的对量子引力理论的探索。
“所有物理学中最大的单一问题是如何调和引力和量子力学，”不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家菲利普·斯坦普说。“突然之间，很明显有一个目标。”
理论家正在思考实验如何进行，以及每种结果对于更完整的融合量子力学和广义相对论的理论意味着什么。“他们都没有失败过，”斯坦普说。“它们是不相容的。如果实验可以解决这种冲突，那将是一件大事。”
量子性质
在量子尺度上，基本粒子不是像球一样“在这里”或“在那里”，而是在每个位置都存在一定的概率。这些概率就像通常在空间中延伸的波峰。例如，当光子在屏幕上遇到两个相邻的狭缝时，它有 50-50 的机会通过其中一个狭缝。与其两条路径相关的概率峰值在屏幕的远侧相遇，从而产生明暗相间的干涉条纹。这些条纹证明了光子存在于两种轨迹的叠加中。
但是量子叠加是微妙的。叠加中的粒子与环境相互作用的那一刻，它似乎会塌陷为“在这里”或“在那里”的确定状态。现代理论和实验表明，这种称为环境退相干的效应的发生是因为叠加泄漏出来并包围了粒子所遇到的任何事物。一旦泄漏，叠加就会迅速扩展到包括试图研究它的物理学家或试图利用它来构建量子计算机的工程师。从内部来看，只能感知到许多叠加现实版本中的一个。
单个光子很容易保持在叠加状态。然而，像弹簧上的球这样的巨大物体，“对环境干扰的敏感性呈指数级增长，”澳大利亚昆士兰大学工程量子系统中心主任杰拉德·米尔本解释说。“它们的任何一个粒子受到来自环境的随机踢的干扰的可能性都非常高。”
由于环境退相干，在桌面实验中探测巨大物体的量子叠加的想法似乎在几十年里都陷入了困境。“问题是获得隔离，确保除了引力以外没有其他干扰，”米尔本说。但是前景已经大大改善。
在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和荷兰莱顿大学之间分配时间的实验物理学家德克·鲍梅斯特，已经开发了一种类似于光子和球实验的装置，但是用一个称为光机振荡器的物体（本质上是弹簧板上的微型镜子）代替了弹簧上的球。目标是将振荡器置于两种振动模式的量子叠加中，然后查看引力是否会使叠加不稳定。
十年前，鲍梅斯特实验所需的最佳光机振荡器可以来回摆动 100,000 次而不会停止。但是这不足以让引力的影响开始发挥作用。现在，改进的振荡器可以摆动一百万次，鲍梅斯特计算出这接近他需要看到的或排除引力引起的退相干的次数。“在三到五年内，我们将证明该镜子的量子叠加，”他说。在那之后，他和他的团队必须减少振荡器上的环境干扰，直到它对单个光子的撞击敏感。“它会奏效的，”他坚持说。
维也纳大学的物理学教授马库斯·阿斯佩尔迈耶同样乐观。他的小组正在量子引力界面开发三个独立的实验 - 两个用于实验室，一个用于轨道卫星。在太空实验中，纳米球将被冷却到其最低的运动能量状态，并且激光脉冲会将纳米球置于两个位置的量子叠加中，从而设置一个类似于双缝实验的场景。当纳米球向检测器移动时，它会像具有两个干涉峰的波一样。每个纳米球只能在单个位置检测到，但是经过多次重复实验后，纳米球位置的分布中将出现干涉条纹。如果引力破坏了叠加，则对于质量太大的纳米球，这些条纹将不会出现。
该小组正在为地球表面设计类似的实验，但这将不得不等待。目前，纳米球无法充分冷却，并且在地球引力下下落太快，因此该测试无法进行。但是，“事实证明，卫星上的光学平台实际上已经满足了我们实验所需的要求，”与德国欧洲航空防务和航天公司合作的阿斯佩尔迈耶说。他的团队最近证明了该实验所需的关键技术步骤。如果它能够起飞并按计划进行，它将揭示纳米球的质量与退相干之间的关系，从而使引力与量子力学对抗。
研究人员在去年春天的《自然物理学》中阐述了另一项地面实验。许多提出的量子引力理论涉及对海森堡不确定性原理的修改，这是量子力学的基石，它说不可能同时精确地测量物体的位置和动量。对海森堡公式的任何偏差都应该显示在光机振荡器的位置动量不确定性中，因为它会受到重力的影响。不确定性本身非常小-模糊度仅为质子宽度的 100-万亿分之一-但是阿斯佩尔迈耶小组的理论家伊戈尔·皮科夫斯基发现了一条检测它的后门途径。当光脉冲撞击振荡器时，皮科夫斯基声称，其相位（波峰和波谷的位置）将发生取决于不确定性的可察觉的偏移。偏离传统量子力学预测的结果可能是量子引力的实验证据。
阿斯佩尔迈耶的小组已经开始实现第一个实验步骤。阿斯佩尔迈耶说，皮科夫斯基的想法“为我们提供了在性能上的非常出乎意料的改进，我必须承认。” “实际上，我们都有些惊讶。”
摊牌
许多物理学家期望量子理论占上风。他们认为，原则上，弹簧上的球应该能够同时存在于两个位置，就像光子一样。球的引力场应该能够像光子的电磁场一样在量子叠加中相互干扰。“我不明白为什么对于光的情况已经证明是正确的量子理论的这些概念在引力的情况下应该失败，”阿斯佩尔迈耶说。
但是广义相对论和量子力学本身的不兼容性表明，引力的行为可能有所不同。一个令人信服的想法是，引力可以充当一种不可避免的背景噪声，从而使叠加崩溃。
达特茅斯学院物理学教授迈尔斯·布伦科说：“虽然你可以消除空气分子和电磁辐射，但你无法屏蔽引力。” “我的看法是，引力有点像基本的，不可避免的，最后的手段环境。”
背景噪声的想法是由匈牙利维格纳物理研究中心的拉约什·迪奥西和牛津大学的罗杰·彭罗斯在1980年代和1990年代分别提出的。根据彭罗斯的模型，在叠加过程中，空间和时间的曲率差异可能会累积，最终破坏它。所涉及的物体质量越大或能量越高，因此其引力场越大，“引力退相干”发生的速度就越快。时空差异最终导致粒子位置和动量的不确定性存在不可减少的噪声水平，这与不确定性原理一致。
“如果导致不确定性原理和量子物理学令人困惑的特征的最终原因是由于空间和时间的某些量子效应，那将是一个很棒的结果，”米尔本说。
受实验测试可能性的启发，米尔本和其他理论家正在扩展迪奥西和彭罗斯的基本思想。在《物理评论快报》7月份的一篇论文中，布伦科通过将引力建模为一种环境辐射，推导出了引力退相干速率的方程。他的方程包含一个称为普朗克能量的量，它等于最小可能黑洞的质量。“当我们看到普朗克能量时，我们会想到量子引力，”他说。“所以，这个计算可能触及了这种尚未发现的量子引力理论的要素，如果我们有一个量子引力理论，它会告诉我们，引力与其它形式的退相干根本不同。”
斯塔普正在发展他所谓的量子引力的“相关路径理论”，该理论精确指出了引力退相干的可能数学机制。在传统的量子力学中，未来结果的概率是通过独立地对粒子可以采取的各种路径求和来计算的，例如粒子同时穿过屏幕上的两个狭缝的轨迹。斯塔普发现，当引力被纳入计算时，这些路径会连接起来。“引力基本上是允许不同路径之间通信的相互作用，”他说。路径之间的相关性再次导致退相干。“没有可调整的参数，”他说。“没有回旋余地。这些预测是绝对确定的。”
在会议和研讨会上，理论家和实验家正在密切合作，协调各种提案和测试计划。他们说这是一个相互激励的局面。
“在量子力学和引力的最终对决中，我们对空间和时间的理解将完全改变，”米尔本说。“我们希望这些实验能指引方向。”
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