已知宇宙的所有基本力都遵循量子力學定律，唯獨引力例外。 找到將引力納入量子力學的方法將使科學家們向“萬物理論”邁進一大步，該理論可以從第一原理完全解釋宇宙的運作方式。 在探索引力是否是量子的過程中，關鍵的第一步是探測長期以來假定的引力的基本粒子——引力子。 為了尋找引力子，物理學家們現在轉向涉及微觀超導體、自由落體晶體和宇宙大爆炸餘輝的實驗。
量子力學表明，一切都由量子或能量包組成，這些量子或能量包的行為既像粒子又像波——例如，光量子被稱為光子。 探測引力子，即假設的引力量子，將證明引力是量子化的。 問題在於引力非常弱。 為了直接觀察引力子對物質產生的微小影響，物理學家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson) 著名地指出，引力子探測器必須非常巨大，以至於它會自身坍縮形成黑洞。
“量子引力理論的問題之一是它們的預測通常幾乎不可能透過實驗驗證，”荷蘭代爾夫特理工大學的量子物理學家理查德·諾特 (Richard Norte) 說。 “這是存在如此多相互競爭的理論以及我們尚未成功理解它實際運作方式的主要原因。”
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在 2015 年，然而，現任澳大利亞阿德萊德大學的理論物理學家詹姆斯·誇奇 (James Quach) 提出了一種利用引力子的量子性質來探測引力子的方法。 量子力學表明宇宙本質上是模糊的——例如，人們永遠無法同時絕對地知道粒子的位置和動量。 這種不確定性的一個後果是，真空永遠不會完全空虛，而是充滿了所謂的虛粒子的“量子泡沫”，這些虛粒子不斷地出現和消失。 這些幽靈般的實體可能是任何型別的量子，包括引力子。
幾十年前，科學家們發現虛粒子可以產生可探測的力。 例如，卡西米爾效應是在真空中彼此靠近放置的兩面鏡子之間觀察到的吸引力或排斥力。 這些反射面由於虛光子閃爍出現和消失產生的力而移動。 之前的研究表明，超導體可能比普通物質更強烈地反射引力子，因此誇奇計算出，尋找真空中兩片薄超導片之間的相互作用可能會揭示引力卡西米爾效應。 由此產生的力可能比基於標準虛光子的卡西米爾效應預期的力強大約 10 倍。
最近，諾特和他的同事們開發了一種微晶片來進行這項實驗。 該晶片包含兩個微小的鍍鋁板，這些鍍鋁板被冷卻到接近絕對零度，從而變成超導狀態。 其中一塊板連線到一面可移動的鏡子上，並向該鏡子發射雷射。 如果這些板因引力卡西米爾效應而移動，則從鏡子上反射的光的頻率將發生可測量的偏移。 正如 7 月 20 日在Physical Review Letters線上詳述的那樣，科學家們未能觀察到任何引力卡西米爾效應。 這一零結果並不一定排除引力子的存在——從而排除引力的量子性質。 相反，它可能僅僅意味著引力子與超導體的相互作用不如先前工作估計的那麼強烈，馬薩諸塞理工學院的量子物理學家和諾貝爾獎獲得者弗蘭克·維爾切克 (Frank Wilczek) 說，他沒有參與這項研究，並且對它的零結果並不感到驚訝。 儘管如此，誇奇說，這“是一次勇敢的探測引力子的嘗試”。
儘管諾特的微晶片沒有發現引力是否是量子化的，但其他科學家正在探索各種方法來尋找引力量子效應。 例如，2017 年的兩項獨立研究表明，如果引力是量子化的，它可能會在粒子之間產生一種稱為“糾纏”的聯絡，從而使一個粒子瞬間影響另一個粒子，無論它們在宇宙中的哪個位置。 一項桌面實驗使用雷射束和微觀鑽石可能有助於尋找這種基於引力的糾纏。 這些晶體將被儲存在真空中，以避免與原子碰撞，因此它們將僅透過引力相互作用。 科學家們將讓這些鑽石同時掉落，如果引力是量子化的，那麼每個晶體對另一個晶體施加的引力可能會將它們糾纏在一起。
研究人員將在鑽石掉落後透過將雷射照射到每顆鑽石的中心來尋找糾纏。 如果晶體中心的粒子朝一個方向旋轉，它們就會發出熒光，但如果它們朝另一個方向旋轉，則不會發出熒光。 如果兩個晶體中的自旋同步的頻率高於偶然預測的頻率，這將表明存在糾纏。 “世界各地的實驗人員都渴望接受這一挑戰，”荷蘭格羅寧根大學的量子引力研究員阿努潘·馬祖姆達 (Anupam Mazumdar) 說，他是其中一項糾纏研究的合著者。
麻省理工學院的宇宙學家艾倫·古斯 (Alan Guth) 說，尋找量子引力證據的另一種策略是觀察宇宙微波背景輻射，即宇宙大爆炸的微弱餘輝。 引力子等量子像波一樣波動，最短的波長會有最劇烈的波動。 根據古斯廣為支援的被稱為暴脹的宇宙學模型，當宇宙在大爆炸後不到一秒的時間內急劇膨脹時，這些短波長將在整個宇宙中延伸到更長的尺度。 量子引力的這種證據可能在宇宙微波背景輻射的光子偏振或排列方式的漩渦中可見。
然而，這些漩渦圖案（稱為 B 模式）的強度很大程度上取決於暴脹的確切能量和時間。 古斯說：“暴脹的某些版本預測應該很快就會發現這些 B 模式，而其他版本則預測 B 模式非常弱，以至於永遠無法探測到它們。” “但是，如果它們被發現，並且這些特性與暴脹的預期相符，那麼這將是非常有力的證據，證明引力是量子化的。”
找出引力是否是量子化的另一種方法是直接尋找引力波中的量子漲落，引力波被認為是由宇宙大爆炸後不久產生的引力子組成的。 雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 於 2016 年首次探測到引力波，但古斯說，它的靈敏度不足以探測暴脹延伸到宇宙尺度的早期宇宙中波動的引力波。 維爾切克補充說，太空中的引力波天文臺，例如雷射干涉空間天線 (LISA)，有可能探測到這些波。
然而，在最近被期刊Classical and Quantum Gravity接受的一篇論文中，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的天體物理學家理查德·劉 (Richard Lieu) 認為，如果引力子攜帶的能量與當前某些粒子物理模型所暗示的能量一樣多，那麼 LIGO 應該已經探測到引力子。 可能是引力子攜帶的能量比預期的要少，但劉認為這也可能意味著引力子不存在。 劉說：“如果引力子根本不存在，這對大多數物理學家來說將是個好訊息，因為我們在發展量子引力理論方面一直很糟糕。”
儘管如此，設計消除引力子的理論可能並不比設計保留引力子的理論容易。 古斯說：“從理論的角度來看，很難想象引力如何避免被量子化。” “我不知道任何關於經典引力如何與量子物質相互作用的明智理論，我也無法想象這樣的理論如何運作。”