量子引力在实验室

1797年，英国顶尖科学家之一亨利·卡文迪什制造了一种装置来称量世界。

当时，地球的质量是未知的，它的组成也是未知的。它主要是坚硬的岩石吗？它的成分会随深度而变化吗？天文学家埃德蒙·哈雷甚至认为地球可能是空心的。艾萨克·牛顿将地球的质量与其他太阳系天体进行了比较，并且知道，例如，地球比月球更重。他甚至提出了一种确定地球绝对质量的方法：非常精确地测量两个小球形质量之间的引力吸引力，然后从结果中推断出地球自身的质量。但牛顿断然否定了自己的想法——他认为即使使用非常大的质量，球体之间的吸引力也太小而无法探测到。“不，即使是整座山脉也不足以产生任何明显的效应，”他在他的杰作《原理》中写道，这部杰作阐述了他的运动和引力定律。

一个多世纪后的八月的一天，卡文迪什证明牛顿错了。他在伦敦西南部庄园的一个棚屋里建造的装置由两个1.6磅重的铅球组成，它们连接到一根六英尺长的木杆的相对两端，木杆悬挂在一根固定在头顶梁上的金属丝上。两个重得多的铅球，每个重约350磅，分别悬挂在离较轻球约9英寸的地方。卡文迪什预计，重球对小球的引力会使木杆稍微旋转，他是对的——它移动了略微超过十分之一英寸。

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这使他可以直接测量每个大球对小球施加的引力。因为他已经知道地球对每个小球施加了1.6磅的引力（在英制单位中，磅的定义是力的度量），卡文迪什可以建立一个简单的比率：小球和大球之间的引力与小球和地球之间的引力之比。由于引力与被测量的质量成正比，他可以使用该比率来解出地球的未知质量。在九个月的时间里，他重复了实验17次，发现地球重达1300万万亿磅，这个结果与现代最佳估计基本相同。

“这是一个不可思议的故事，”马库斯·阿斯佩尔梅耶在一次Skype通话中回忆卡文迪什实验时说道。“这是第一个精确的桌面引力实验。”卡文迪什 220 年前的杰作，虽然实际上不是在桌面上进行的，但却是奥地利维也纳大学物理学家阿斯佩尔梅耶的灵感来源。与卡文迪什一样，他对一个雄心勃勃、看似不可能的实验有计划，这个实验可能会改变我们对引力的理解：他想使用一个小规模的装置——字面意思是在他实验室的桌面上——来寻找证据，证明引力可能是一种量子现象。

在宇宙中的四种基本力中，引力是唯一一种无法用量子力学定律描述的力，量子力学理论适用于物理学已知的所有其他力和粒子。电磁力；束缚原子核的“强”核力；以及引起放射性衰变的“弱”核力——它们的核心都是量子的，只剩下引力是唯一的、神秘的异类。

自从阿尔伯特·爱因斯坦的鼎盛时期以来，这种例外情况一直困扰着物理学家。爱因斯坦从未能将他自己的引力理论——广义相对论——与量子力学统一起来。现在研究这个问题的大多数物理学家认为，统一发生在我们将宇宙放大到所谓的普朗克尺度时，普朗克尺度是以量子理论创始人之一马克斯·普朗克的名字命名的。普朗克尺度上的距离非常微小——比氢原子小 100 万亿万亿倍——以至于时空本身被认为具有量子特性。量子时空将不再是广义相对论描述的平滑连续体；它将是粗粒度的，就像数码照片放大后变得像素化一样。这种粒度是量子理论的一个标志，量子理论将粒子的能量、动量和其他属性限制在离散的比特或量子中。但是，时空的量子到底是什么？如果空间和时间本身像破碎的标尺一样破碎，又该如何测量时间和距离呢？

达特茅斯学院的理论物理学家迈尔斯·布伦科维说：“我们所有的物理理论都明确或隐含地要求标尺和时钟的存在：在[这里]的这个时间发生了某件事，然后在稍后的时间在[那里]做了这件事。”“如果你甚至没有时间参数或距离参数，你从哪里开始？” 布达佩斯威格纳物理研究中心的理论物理学家拉约斯·迪奥西用以下方式总结了这个难题：“我们不知道那里会是什么，但我们肯定知道，如果你下降到普朗克尺度，时空连续性将会完全被打乱。”

对于物理学家来说不幸的是，没有办法观察普朗克尺度上的现象，因此也没有办法检查各种量子引力理论的预测，看看哪种理论可能是正确的。“情况不是我们没有量子引力理论，”法国艾克斯-马赛大学的理论物理学家卡洛·罗韦利说。“我们有。问题是我们不止一种。”

在物理学中，实验的能量尺度越高，可以探测到的距离就越小。直接探测普朗克尺度需要一台比日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 强大 15 个数量级的机器，大型强子对撞机是有史以来建造的最大的粒子加速器，周长为 27 公里。正如一位物理学家所说，这样的加速器大约需要我们星系的大小。像 LHC 这样的机器以接近光速的速度将粒子碰撞在一起，物理学家希望从碎片中出现新的东西。基本方法与炸开保险箱以找出里面的东西并没有太大区别。桌面物理学的实践者旨在用技巧取代蛮力，就像保险箱破解者倾听锁的弹子卡入到位的声音一样。“你正在用高精度换取高能量，我就是这样看的，”华盛顿大学的物理学家埃里克·阿德尔伯格说。“有能量前沿，也有精度前沿。如果你能非常、非常好地测量某些东西，你就可以测试在某些非常高能量尺度上发生的物理现象。”现在至少有三个小组，包括阿斯佩尔梅耶的小组，正在设计实验来做到这一点。科学家们乐观地认为，这些项目最终将达到探测引力进入量子领域的所需精度水平。

一个思想实验

为了理解为什么精度使物理学家能够间接访问更高的能量，从而访问更小的尺度，请考虑一个历史类比：布朗运动。在 1905 年发表的一篇论文中，爱因斯坦表明，即使分子本身太小而无法直接观察到，花粉粒在水罐中令人费解的随机运动也可以用与水分子的碰撞来解释。阿斯佩尔梅耶和其他物理学家正在打赌，在普朗克领域中发生的不可观察的小事物可能会以类似的方式影响桌面实验可以访问的现象。虽然粒子加速器无法按数量级升级——我们不太可能看到周长为 1,000 公里的加速器——但在未来几十年里，桌面实验的精度很可能会提高几个数量级。

这样的进步可能使阿斯佩尔梅耶能够测试所有量子引力理论所共有的一个关键假设：引力本身应该显示出一些非常奇怪的量子特性。“如果这真的是真的，那么在能量尺度上应该有一些后果，这个能量尺度比 [与普朗克尺度相对应的高能量] 小得多”——也就是说，大致在我们居住的尺度上，阿斯佩尔梅耶说。“问题是：我们能否提出可能测试这些后果的实验？”

阿斯佩尔梅耶的想法是一个实验，该实验将测量两个球形质量之间的引力吸引力。但是，与卡文迪什不同，阿斯佩尔梅耶不会称量地球，他的毫克级质量比卡文迪什的铅球小几个数量级。他想测试引力是否与小质量的量子特性相互作用。具体来说，他打算研究放置在类似“薛定谔的猫”的既在这里又在那里的状态下的物体可能会产生什么样的引力效应。

在量子世界中，粒子具有同时处于两个位置的不可思议的能力——物理学家称之为叠加。科学家们已经在实验室中多次观察到量子叠加，但它们是脆弱的状态。与任何附近粒子的相互作用都会迅速导致叠加状态的物体“坍缩”成一个单一位置。但阿斯佩尔梅耶想知道这些粒子在叠加持续期间具有什么特性。例如，它们是否会产生自己微小的引力场？“想象一下，你将一个物体置于叠加态，”他说，“现在你问一个问题：它是如何引力的？这就是我们想要回答的问题。”

阿斯佩尔梅耶希望进行的实验最初是由传奇物理学家理查德·费曼在 1957 年的一次会议上作为盖当肯实验——一个思想实验——提出的。费曼认为，如果引力确实是一种量子现象，那么一个粒子同时处于两个位置的叠加态将产生两个独立的引力场。根据广义相对论，引力场是时空的扭曲。因此，在一个处于量子叠加态的小质量的情况下，两个不同的时空将并排共存，几乎就像两个独立的迷你宇宙，这种情况不应该存在于爱因斯坦的理论中。

如果出现时空叠加，另一个物体——一个测试质量——将如何与之相互作用？测试质量的运动是否表明它感受到了两个不同引力场的拉力？或者，相互作用是否会导致叠加坍缩，正如一些物理学家认为的那样，从而导致正常的引力动力学？如果叠加持续存在，并且测试质量确实与叠加的引力场相互作用，这将是强有力的证据，表明测试质量和叠加已经变得“纠缠”——量子力学的一个明显特征，其中两个独立粒子的特性变得密不可分地联系在一起。费曼认为，由于只有量子现象才能变得纠缠，因此该实验将表明，引力与宇宙中所有其他已知的力一样，本质上是量子的。

这样的结果本身不会验证任何特定的量子引力理论，但它将间接证明引力在普朗克尺度上是量子化的。更广泛地说，该实验将提供令人信服的证据，证明量子力学定律在所有尺度上都成立，而不仅仅是在光子、原子和其他基本粒子的领域中。一些物理学家一直坚持认为，当量子力学描述宏观世界时，它可能会崩溃。例如，牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯和迪奥西认为，引力会导致超过一定大小的叠加坍缩，从而有效地将量子世界与所谓的经典世界分开。

牛津大学的理论物理学家基亚拉·马莱托说：“量子理论应该失效的领域之一是描述引力的时候。”“有许多杰出的科学家坚持认为，引力将正是量子理论失效的地方。因此，我们实际上应该使量子理论经典化，而不是拥有量子的 [引力] 理论，以便它能够描述引力。” 以这种思维方式，量子理论可能需要修改以使其与广义相对论一致，而不是试图将引力纳入量子理论的现状。

将思想变为现实

当费曼提出他的想法时，决定这个问题所需的技术和专业知识并不存在，即使现在，这个项目仍然令人生畏。多年来，阿斯佩尔梅耶的实验室一直在努力测量越来越小质量的引力场。这是一项棘手的任务：地球巨大的引力淹没了即使是相对较大物体的场。迄今为止已测量的引力场最小的质量是 700 毫克重的钨球。这大约是一枚回形针或葡萄干的质量——与量子粒子相比，这是一个庞然大物。

为了实现费曼的思想实验，阿斯佩尔梅耶和他的同事需要使用比回形针小得多的物体。他们现在正在开发一个原型实验，以检测毫米宽的金球（选择黄金是因为其密度和纯度）的引力场，金球的重量仅为几十毫克。“这比迄今为止测量的任何其他东西都轻几十或几百倍，”阿斯佩尔梅耶说。在实验中，研究人员将把两个金球放置在相隔几毫米的位置，一个连接到小型弹簧安装的磁铁上，另一个固定到微机械悬臂梁的末端。当电磁铁打开时，弹簧上的球体将开始振动，产生变化的引力场，反过来使悬臂梁上的质量像跳板上的跳水运动员一样上下弹跳。悬臂梁的运动——由激光跟踪——本质上放大了连接到弹簧上的球体的引力，使其更容易在地球场的背景下检测到。

在使用普通的非量子质量磨练他们的引力测量技能后，阿斯佩尔梅耶的团队将着手研究叠加。如果他能将两个小球置于叠加态，阿斯佩尔梅耶就可以测试它们的引力场是如何相互作用的。结果可能表明粒子是纠缠的，从而支持费曼关于引力的量子性质的直觉。

实现这一切需要什么？为了真正有可能创造量子叠加，阿斯佩尔梅耶需要将他的毫米尺寸的引力测试质量缩小到微米的分数——缩小 1000 倍。与此同时，他将需要质量足够大的物体的叠加，以便具有可检测的引力场。为此，他可能会利用维也纳同事马库斯·阿恩特的才能，后者保持着有史以来放置在叠加态的最大物体的记录：一个包含 800 多个原子的庞然大物分子。质量将不会被卡在弹簧和悬臂梁上，而是用“光学镊子”——高度聚焦的激光束——悬浮在空间中。

“如果我可以检测到我可以获得量子控制的物体的引力场，那么我就成功了，”阿斯佩尔梅耶说。“这将是长期的梦想——不是明天，也不是五年后。无论是自上而下，还是自下而上——从使 [引力] 质量更小，以及使 [叠加] 质量更大——我们认为我们知道如何到达那里，并将这两个领域结合在一起。现在我们只需要努力工作。”

阿恩特是阿斯佩尔梅耶可能的合作者，他说该实验提出了许多挑战：小的球形质量将难以在引力上隔离，并且容易与任何附近的表面相互作用。“有太多难以抑制的效应，”他说。“尽管如此，无论如何都必须尝试。如果我们现在不开始，10 年后也不会完成。” 阿恩特将所需付出的努力与引力波的搜索进行了比较，引力波是爱因斯坦广义相对论预测的一种现象。2015 年，巨大的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 最终探测到了第一个引力波，但这一发现历时已久。“建造引力波探测器花了 40 年的努力，”阿恩特说。

量子顽固分子的最后避难所

阿斯佩尔梅耶并不是唯一一位研究这个问题的物理学家。2017 年 12 月，两个独立的团队同时发表了他们自己非常相似的费曼思想实验的观点。伦敦大学学院的物理学家苏加托·玻色和他的同事以及马莱托和她的牛津同事弗拉特科·韦德拉尔描述了一种方法，可以在不必测量微观粒子的引力场的情况下，测试微观粒子叠加态之间的引力纠缠。

在拟议的实验中，成对的微米宽的金刚石球体将被置于叠加态，并在地球引力场中在真空中自由落体几秒钟。如果球体足够接近——根据玻色的估计，大约相隔 100 微米——它们的引力场应该会导致粒子变得纠缠。当这种情况发生时，纠缠粒子的特性将以经典物理学中不可能的方式瞬间相关联。例如，一个粒子的自旋——无论它在磁场中是指向上还是向下——一旦测量到其纠缠伙伴的自旋，就会翻转到相反的方向。

通过跟踪这种相关性发生的频率——玻色说，10,000 次试验应该会产生一个答案——他、马莱托和韦德拉尔可以确定下落的金刚石是否真的变得纠缠了。再一次，纠缠将表明引力本身必须具有量子特性。“我们的工作将证明引力是量子的，因为它遵守叠加原理，”玻色说。该实验面临着与阿斯佩尔梅耶的实验相同的许多挑战：它需要持续几秒钟并且保持足够接近的大型叠加，以便引力能够将它们纠缠在一起。“这使得事情非常困难，”玻色说。“但我相信我会在我的有生之年看到它。”

如果这两个实验都取得成功，它们将为物理学家提供第一个间接证据，证明引力——以及时空本身——必须在普朗克尺度上量子化。对于罗韦利和其他量子引力理论家来说，这是一个令人兴奋的前景，他们多年来一直在研究没有任何实验反馈的理论。“我认为这是一个游戏规则改变者，这个想法，试图在实验室中看到量子引力，”罗韦利说。“就我们所知，[引力的量子性质] 绝对应该是真实的；否则我们就没有学到关于世界的任何东西。”

在诞生一个世纪后，量子力学仍然是最令人困惑的科学理论之一。一些物理学家，最著名的是爱因斯坦，怀疑它是否可能是关于现实本质的最终答案。然而，无数的实验已经证实了该理论的预测，通常具有多位小数的精度。在某种意义上，引力是量子还是经典的问题代表了那些认为量子力学一定有问题的那些人的最后避难所。如果这些桌面实验成功，那么这个避难所将崩溃。

“量子理论教会了我们一种完全不同的方式来描述我们可以说的关于自然界的东西，”阿斯佩尔梅耶说。“我们通过量子理论发现的规则手册是一个基本的规则手册，必须普遍适用于我们拥有的所有理论。”