本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
传统观点认为，把“量子引力”和“实验”这两个词放在同一个句子中，就像把物质和反物质放在一起一样。你只会得到一个大爆炸；这两者根本不相容。引力的独特量子特征只会在极端环境下显现，例如黑洞的内部或宇宙的诞生之初，在任何实验室都无法重现的极小距离和极大能量下。即使拥有整个星系能量资源的宇宙文明可能也做不到。
然而，物理学家从来都不怎么遵循传统观点，研究量子引力的梦想也过于吸引人而无法放弃。目前，物理学家实际上并不知道引力是如何运作的——他们为自然界的每一种力都建立了量子理论，唯独引力没有。正如爱因斯坦所展示的那样，引力是特殊的：它不仅仅是一种普通的作用力，而是时空结构的反映，其他一切都依赖于此。在量子引力理论中，所有支配自然的原则都将结合在一起。如果物理学家能够观察到引力的某些独特量子特征，他们就将瞥见自然世界的根本统一。
即使他们不能将粒子加速器提升到所需的能量水平，这也没有阻止他们设计间接实验——这些实验不是试图一口吞下整个问题，而是逐渐啃食。我的获奖同事迈克尔·莫耶在二月份的封面故事中描述了一个实验，还有许多其他实验也正在酝酿之中。与其说物质和反物质，“量子引力”和“实验”更像是花生酱和巧克力。它们实际上搭配起来相当美味。
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上个月在奥斯汀举行的美国天文学会会议上出现了一个例子。密歇根理工大学的罗伯特·内米罗夫展示了他的团队对极高能量、短波长宇宙伽马射线的研究。这个想法可以追溯到1990年代末，短波长光子可能比长波长光子对时空的微观量子结构更敏感，就像一辆小轮胎的汽车会被路上的颠簸晃得厉害，而一辆巨型卡车甚至感觉不到一样。这种效应可能很微弱，但如果光子传播数十亿年，即使是最细微的减速或加速也会显著改变它们到达的时间。内米罗夫的团队专注于由费米太空望远镜观测到的伽马射线暴GRB 090510A。它大约在70亿年前爆发，短波长和长波长的光子几乎在同一时间到达——相差不超过大约1毫秒。任何速度差异最多为十的二十次方分之一，这意味着量子引力几乎没有阻碍这些光子。
理论物理学家长期以来一直争论量子引力是否会改变光子速度，大多数人对负面结果并不感到惊讶。但重要的是思维方式的转变。实验者和观察者更关心我们能看到什么，而不是我们应该看到什么。这些人喜欢制造东西。如果他们能制造出某种可能使引力和量子力学相互作用的装置，他们就会去做，不管理论家怎么说。他们采取“如果你建造了它，就会有东西出现”的态度。从历史上看，物理学通过以最少的偏见观察自然而得到了很好的发展。
最新的想法是应用量子光学和相关学科的技术，这些技术可以操纵光子和其他粒子，以构建加密通信链接，开发量子计算机的组件，并在极低的温度下研究物质。这个行业的工具是干涉仪，一种探测粒子波动性的装置。它由一个粒子源、一个粒子探测器以及从一个到另一个的两条路径组成。由于量子性，粒子会同时走两条路径。也就是说，对应于粒子的波分裂成两部分，传播一段距离，然后再次融合在一起。路径的相对长度（或任何其他使它们不同的因素）决定了波是否会相互加强或抵消，从而决定了探测器将检测到什么。
乍一看，这些装置似乎是最不可能寻找量子引力的地方。它们是明显的低能实验，通常在餐桌大小的实验室工作台上进行。那里既没有伽马射线，也没有加速粒子。但是莫耶的封面故事描述了干涉仪如何作为一种极其精确的测距仪器。如果时空因量子涨落而动荡不安，路径相对长度的任何变化都将在探测器上记录下来。
去年春天，维也纳的一个物理学家团队在Časlav Brukner的领导下探索了干涉仪的另一种用途：看看量子粒子是否真的像爱因斯坦所设想的那样遵守引力定律。这本身不是量子引力——粒子是量子的，但引力的行为方式是严格经典的。尽管如此，这仍然是两个理论如何相互作用的一个引人入胜的例子。你可能会认为单个粒子上的引力太微弱而无法测量，但干涉仪可以做到这一点。你可以将其设置为两条路径处于不同的高度，因此会经历不同的引力势，这将在探测器上记录下来。
这种类型的实验，最早在1975年使用中子完成，证实了牛顿引力定律同样适用于行星和粒子。后来的实验，特别是诺贝尔奖得主、美国能源部长朱棣文的实验，旨在更进一步，寻找广义相对论中不同于牛顿理论的独特特征。他们声称发现了这些特征，但其他人持谨慎态度。具有讽刺意味的是，朱棣文的主要怀疑者正是1997年诺贝尔奖的另一位得主，克劳德·科恩-坦努吉。
维也纳团队通过提出一个改进的实验来绕过争议。它不仅仅将任何粒子发送通过干涉仪，而是发送一个像微型时钟一样行动的粒子——通过旋转或衰变来标记时间。广义相对论预测，时钟在进入引力场越深时运行速度越慢，在这个实验中，它不仅会区分两条高度不等的路径，还会完全消除粒子的波动性。波性质的消失将是广义相对论的明确指纹，也是通往量子引力的垫脚石。目前的干涉仪缺乏寻找这种效应所需的精度，但这只是时间问题。（抱歉，忍不住用了这个词。）更多信息，请参阅作者自己的博客文章和他们去年秋天在《自然通讯》上发表的论文。
另一种方法是基于在越来越大的系统中观察独特量子效应的努力。维也纳的物理学家与伦敦的一位同事合作，认为有两种方法可以实现高能量，从而探测量子引力。你可以将大量的能量注入一个单独的粒子中，也可以组装大量的低能量粒子，并哄骗它们像一个大粒子一样集体行动。
提出的实验涉及一个微小的镜子，它位于一个微小的弹簧上。通过将光照射到镜子上，你可以将其阻尼下来，直到该装置达到其可能的最低能量，此时它就像一个单独的量子。它的质量为20微克，它所具有的总能量（通过E=mc2计算）将与可想象的最强大的单个粒子一样多。通过继续将光照射到镜子上，你可以完全控制它的位置和动量。该团队建议让设备进行一个循环：稍微重新定位它，然后给它一个速度，然后将其返回到原始位置，然后使其停止。尽管镜子回到了它开始的地方，但它与以前并不完全相同——对应于镜子的量子波发生了轻微的移动。类似地，当汽车发动机完成一个循环时，它会回到相同的内部状态，但会让你在路上走得更远。
从技术上讲，残余位移是量子非对易性的结果——即操作顺序对量子系统有影响。重新定位，然后改变速度，与改变速度，然后重新定位是不同的。非对易性是著名的海森堡不确定性原理的基础，该原理认为你无法以完美的精度测量某物的位置和动量；你需要进行权衡。
有趣的是，量子引力可能会修改不确定性原理。正如Backreaction的萨宾·霍森菲尔德上周三描述的那样，引力效应可能会设定自然界中任何事物可能具有的最小长度，这意味着无论你愿意接受多少动量不精确性，位置测量永远不会比最小长度更精确。微型镜实验可以发现这一点。
维也纳人富有创造力地提出的另一种方法，尚未用于具体的实验，但通常受到实验主义思维方式的启发，是以具体的而非抽象的方式定义量子引力思想。理论家认为，时空中的量子涨落可能会使因果关系序列模糊不清，其实际结果是改变物理学家在实验室中观察到的相关性类型。但维也纳人建议从另一个角度思考：物理学家在实验室中观察到某些类型的相关性，并从中得出关于时空的结论。
这种反转的好处在于，你可以想象观察到无法用时空术语解释的相关性——例如，无法放入因果序列中的相关性，即使在原则上也不能。按照量子信息论家的惯用风格，该团队以游戏的形式表达了他们的想法。假设两个玩家，爱丽丝和鲍勃，在两个隔间中，每个隔间都配备了一个红色和一个绿色按钮，以及一个红色和一个绿色的灯；当爱丽丝按下按钮时，鲍勃隔间中相应的灯会亮起，反之亦然。
每个玩家抛一枚硬币。游戏的目标：猜测对方抛硬币的结果。他们必须在抛硬币之前做出猜测。在正常的时空中，游戏以因果序列展开。其中一个玩家必须先行动——比如，爱丽丝。她的红灯和绿灯是暗的，因为鲍勃还没有机会按下任何按钮，所以她能做的最好的事情就是猜测他的结果。她将自己的结果发送给鲍勃，以便至少他总是得到正确的答案。总的来说，他们有75%的时间能得到两个正确的结果。
但想象一下，按钮和灯光之间的关联性与谁先操作无关。那么，爱丽丝的灯会亮起，她就可以对鲍勃的结果做出有根据的猜测。如果你将量子力学扩展到涵盖这种情况，你可以计算出获胜的几率：大约 85%，比所有事情都安排得井井有条时他们所能达到的要好。
当量子效应发挥作用时，“时空”会失去我们通常与之相关的一些最基本特征，例如物体在特定时间和特定地点存在的概念。在维也纳的场景中，你失去了讲述故事的能力：一件事发生了，然后是另一件事，然后又是另一件事。它变成了一个达达主义的混乱。即使对于理论物理学家来说，这也是一个如此奇怪和抽象的概念，任何能够将其可视化的方式都算作进步。因此，即使实验人员无法构建实际的实验，他们脚踏实地的思维方式也为现代科学中一些最棘手的问题提供了新的视角。
这是 NOVA 博客 “现实的本质” 上一篇文章的完整版本。
图片来源：费米实验室