如何将量子理论和引力统一起来？连爱因斯坦都无法回答的问题

光子盒研究院出品

自然界有四种基本力，包括电磁力、导致放射性衰变的弱力、将中子和质子结合在原子核内的强力以及引力。其中，前三种都与量子理论相结合，成功地在量子尺度描述了宇宙，这里量子力学定律发挥主导作用。唯有引力，量子理论还没有与其相统一。

尽管爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空的曲率，解释了许多引力现象，但是当我谈及黑洞中心和宇宙大爆炸时，它失效了。在小于原子的尺度上，我们需要的是量子力学。

然而在过去的80年里，包括爱因斯坦在内的一个又一个物理学家，都无法将量子理论与引力统一起来。那么，引力真的是一种量子力吗？

现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)和其他研究机构的研究人员提出了一项可能有助于解决这个问题的实验。

该实验利用了量子理论中两个最奇怪的特性。一个是叠加原理，它认为一个未受干扰的原子粒子可以被描述为一个波，有一定的概率同时出现在两个地方。例如，一个未受干扰的原子穿过有两个狭缝的区域，它不是穿过一个狭缝，而是穿过两个狭缝。由于原子是由波来描述的，穿过一个狭缝的部分会与穿过另一个狭缝的部分发生干涉，从而产生众所周知的明暗条纹图案。亮条纹对应于两个波的波峰和波谷对齐的区域，它们相加产生相长干涉，暗条纹则对应于波的波峰和波谷相互抵消的区域，产生相消干涉。

第二个奇怪的量子特性称为纠缠，在这种现象中，两个粒子可以强烈相关，以至于它们表现为一个整体。测量其中一个粒子的特性会自动迫使另一个粒子具有互补的特性，即使这两个粒子距离跨越了星系。

在量子引力理论中，两个大质量物体之间的引力将由一个假想的亚原子粒子——引力子传递，就像两个带电粒子之间的电磁相互作用通过光子传递一样。所以，如果引力子真的存在，它应该能够连接或纠缠两个大质量物体的性质，就像光子可以纠缠两个带电粒子的性质一样。

位于马里兰大学的NIST联合量子研究所的Jake Taylor、劳伦斯伯克利国家实验室的Daniel Carney以及加州大学伯克利分校的Holger Müller进行的实验提供了一种方法来测试两个大质量物体是否会被引力纠缠在一起。他们于2021年8月18日在线发表在《物理评论X量子》上的一篇文章中描述了他们的工作。 

在该实验中，使用了被困在原子干涉仪内的冷原子云。干涉仪有两个臂——左臂和右臂。根据叠加原理，如果云中的每个原子都处于纯的、不受干扰的量子态，那么可以将其描述为同时占据双臂的波。当波的两个部分(每个臂各一个)重新组合时，它们将产生一种干涉图案，显示由于引力等力而导致的路径变化。

在原子干涉仪中，原子的波函数被分成左右臂。然后左右臂重新组合，产生干涉图案。

在干涉仪的外面将一个小质量的、静止的物体悬挂作为“钟摆”。悬挂的物体和原子通过引力互相吸引。如果引力作用也会产生纠缠，那会是什么样子？

悬挂的物体与原子的特定位置相关——干涉仪的右臂或左臂。结果将导致，物体将开始向左或向右摆动。如果原子位于左侧，钟摆将开始向左摆动；如果原子位于右侧，钟摆将开始向右摆动。

引力使“原子在干涉仪中的位置”与“钟摆开始摆动的方向”纠缠在一起。

当实验开始时，原子的波函数不受钟摆的影响。这意味着单个原子的两个臂完全相互干涉。

位置的纠缠就意味着钟摆有效地测量了原子的位置，将其精确定位到干涉仪内的特定位置。由于原子不再同时处于双臂的叠加状态，干涉图样消失或减弱。

如果引力确实导致钟摆和原子之间发生纠缠，钟摆将只能测量部分原子的位置，将其集中在一个臂或另一个臂上。

半个振荡周期后，当钟摆回到起点时，它失去了它所产生的引力纠缠的所有“记忆”。这是因为无论钟摆走什么路径：最初向右摆动，它为右侧干涉仪臂中的原子选择一个位置，或者最初向左摆动，为左臂中的原子选择一个位置——它都会返回到相同的起始位置，很像秋千上的孩子。当它返回到起始位置时，钟摆同样有可能在左臂或右臂中为原子挑选一个位置。在那一刻，钟摆与原子之间的纠缠被抹去，原子干涉图样重新出现。

在每半个振荡周期后，钟摆将返回到它开始的地方，失去它所产生的引力纠缠的所有记忆并恢复完全干涉。

再过半个振荡周期，随着钟摆向一侧或另一侧摆动，纠缠重新建立，干涉图样再次减弱。当钟摆来回摆动时，就会重复出现“ 干涉图样的出现→减弱→出现”的循环模式。研究人员认为，这种干涉的减弱和重现将是纠缠的确凿正确。

“除了引力纠缠之外，任何现象都很难产生这样的循环，” Carney说。 

Taylor说，尽管理想的实验可能需要十年或更长时间才能实现，但初步版本可能会在短短几年内就能完成。他们可以利用各种“捷径”让观测变得更容易。最大的捷径是接受这样一个假设，就像爱因斯坦的广义相对论一样，无论你什么时候开始实验，都应该得到相同的结果。

Taylor指出，必须考虑到导致量子纠缠的非引力原因，这需要仔细设计和测量才能排除。

参考链接：

[1]https://www.nist.gov/news-events/news/2021/08/exploring-quantum-gravity-whom-pendulum-swings

[2]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.030330

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