它開始像一個教科書式的物理實驗，一個球連線著一個彈簧。如果一個光子撞擊球，衝擊力會使它非常輕微地振盪。但這裡有個問題。在到達球之前，光子會遇到一個半鍍銀的鏡子，它會反射一半的光，讓另一半透過。
接下來發生的事情取決於兩個經過嚴格檢驗但相互衝突的理論中哪個是正確的：量子力學或愛因斯坦的廣義相對論；它們分別描述了宇宙的小尺度和大尺度特性。
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在一種被稱為“疊加”的奇怪的量子力學效應中，光子同時透過並從鏡子向後反射；然後它既撞擊又沒有撞擊球。如果量子力學在宏觀層面起作用，那麼球既會開始振盪，又會保持靜止，進入兩種狀態的疊加。由於球具有質量，其引力場也將分裂成疊加。
但是根據廣義相對論，引力會使球周圍的空間和時間彎曲。該理論不能容忍空間和時間以兩種不同的方式彎曲，這可能會使疊加不穩定，迫使球採用一種或另一種狀態。
知道球會發生什麼可以幫助物理學家解決量子力學和廣義相對論之間的衝突。但是，此類實驗長期以來被認為是不可行的：只有光子大小的實體才能處於量子疊加狀態，並且只有球大小的物體才具有可檢測的引力場。量子力學和廣義相對論在不同的領域中占主導地位，並且似乎僅在極其密集，量子大小的黑洞中匯聚。正如物理學家弗里曼·戴森在2004年寫道，“它們預測之間的任何差異都是物理上無法檢測的。”
在過去的兩年中，這種廣泛持有的觀點已經開始改變。藉助新的精密儀器和巧妙的方法來間接探測難以察覺的影響，實驗人員現在正採取措施研究量子力學和廣義相對論之間的介面，進行諸如光子和球之類的測試。新的實驗可能性正在重振長達80年的對量子引力理論的探索。
“所有物理學中最大的單一問題是如何調和引力和量子力學，”不列顛哥倫比亞大學的理論物理學家菲利普·斯坦普說。“突然之間，很明顯有一個目標。”
理論家正在思考實驗如何進行，以及每種結果對於更完整的融合量子力學和廣義相對論的理論意味著什麼。“他們都沒有失敗過，”斯坦普說。“它們是不相容的。如果實驗可以解決這種衝突，那將是一件大事。”
量子性質
在量子尺度上，基本粒子不是像球一樣“在這裡”或“在那裡”，而是在每個位置都存在一定的機率。這些機率就像通常在空間中延伸的波峰。例如，當光子在螢幕上遇到兩個相鄰的狹縫時，它有 50-50 的機會透過其中一個狹縫。與其兩條路徑相關的機率峰值在螢幕的遠側相遇，從而產生明暗相間的干涉條紋。這些條紋證明了光子存在於兩種軌跡的疊加中。
但是量子疊加是微妙的。疊加中的粒子與環境相互作用的那一刻，它似乎會塌陷為“在這裡”或“在那裡”的確定狀態。現代理論和實驗表明，這種稱為環境退相干的效應的發生是因為疊加洩漏出來幷包圍了粒子所遇到的任何事物。一旦洩漏，疊加就會迅速擴充套件到包括試圖研究它的物理學家或試圖利用它來構建量子計算機的工程師。從內部來看，只能感知到許多疊加現實版本中的一個。
單個光子很容易保持在疊加狀態。然而，像彈簧上的球這樣的巨大物體，“對環境干擾的敏感性呈指數級增長，”澳大利亞昆士蘭大學工程量子系統中心主任傑拉德·米爾本解釋說。“它們的任何一個粒子受到來自環境的隨機踢的干擾的可能性都非常高。”
由於環境退相干，在桌面實驗中探測巨大物體的量子疊加的想法似乎在幾十年裡都陷入了困境。“問題是獲得隔離，確保除了引力以外沒有其他干擾，”米爾本說。但是前景已經大大改善。
在加利福尼亞大學聖巴巴拉分校和荷蘭萊頓大學之間分配時間的實驗物理學家德克·鮑梅斯特，已經開發了一種類似於光子和球實驗的裝置，但是用一個稱為光機振盪器的物體（本質上是彈簧板上的微型鏡子）代替了彈簧上的球。目標是將振盪器置於兩種振動模式的量子疊加中，然後檢視引力是否會使疊加不穩定。
十年前，鮑梅斯特實驗所需的最佳光機振盪器可以來回擺動 100,000 次而不會停止。但是這不足以讓引力的影響開始發揮作用。現在，改進的振盪器可以擺動一百萬次，鮑梅斯特計算出這接近他需要看到的或排除引力引起的退相干的次數。“在三到五年內，我們將證明該鏡子的量子疊加，”他說。在那之後，他和他的團隊必須減少振盪器上的環境干擾，直到它對單個光子的撞擊敏感。“它會奏效的，”他堅持說。
維也納大學的物理學教授馬庫斯·阿斯佩爾邁耶同樣樂觀。他的小組正在量子引力介面開發三個獨立的實驗 - 兩個用於實驗室，一個用於軌道衛星。在太空實驗中，奈米球將被冷卻到其最低的運動能量狀態，並且雷射脈衝會將奈米球置於兩個位置的量子疊加中，從而設定一個類似於雙縫實驗的場景。當奈米球向檢測器移動時，它會像具有兩個干涉峰的波一樣。每個奈米球只能在單個位置檢測到，但是經過多次重複實驗後，奈米球位置的分佈中將出現干涉條紋。如果引力破壞了疊加，則對於質量太大的奈米球，這些條紋將不會出現。
該小組正在為地球表面設計類似的實驗，但這將不得不等待。目前，奈米球無法充分冷卻，並且在地球引力下下落太快，因此該測試無法進行。但是，“事實證明，衛星上的光學平臺實際上已經滿足了我們實驗所需的要求，”與德國歐洲航空防務和航天公司合作的阿斯佩爾邁耶說。他的團隊最近證明了該實驗所需的關鍵技術步驟。如果它能夠起飛並按計劃進行，它將揭示奈米球的質量與退相干之間的關係，從而使引力與量子力學對抗。
研究人員在去年春天的《自然物理學》中闡述了另一項地面實驗。許多提出的量子引力理論涉及對海森堡不確定性原理的修改，這是量子力學的基石，它說不可能同時精確地測量物體的位置和動量。對海森堡公式的任何偏差都應該顯示在光機振盪器的位置動量不確定性中，因為它會受到重力的影響。不確定性本身非常小-模糊度僅為質子寬度的 100-萬億分之一-但是阿斯佩爾邁耶小組的理論家伊戈爾·皮科夫斯基發現了一條檢測它的後門途徑。當光脈衝撞擊振盪器時，皮科夫斯基聲稱，其相位（波峰和波谷的位置）將發生取決於不確定性的可察覺的偏移。偏離傳統量子力學預測的結果可能是量子引力的實驗證據。
阿斯佩爾邁耶的小組已經開始實現第一個實驗步驟。阿斯佩爾邁耶說，皮科夫斯基的想法“為我們提供了在效能上的非常出乎意料的改進，我必須承認。” “實際上，我們都有些驚訝。”
攤牌
許多物理學家期望量子理論佔上風。他們認為，原則上，彈簧上的球應該能夠同時存在於兩個位置，就像光子一樣。球的引力場應該能夠像光子的電磁場一樣在量子疊加中相互干擾。“我不明白為什麼對於光的情況已經證明是正確的量子理論的這些概念在引力的情況下應該失敗，”阿斯佩爾邁耶說。
但是廣義相對論和量子力學本身的不相容性表明，引力的行為可能有所不同。一個令人信服的想法是，引力可以充當一種不可避免的背景噪聲，從而使疊加崩潰。
達特茅斯學院物理學教授邁爾斯·布倫科說：“雖然你可以消除空氣分子和電磁輻射，但你無法遮蔽引力。” “我的看法是，引力有點像基本的，不可避免的，最後的手段環境。”
背景噪聲的想法是由匈牙利維格納物理研究中心的拉約什·迪奧西和牛津大學的羅傑·彭羅斯在1980年代和1990年代分別提出的。根據彭羅斯的模型，在疊加過程中，空間和時間的曲率差異可能會累積，最終破壞它。所涉及的物體質量越大或能量越高，因此其引力場越大，“引力退相干”發生的速度就越快。時空差異最終導致粒子位置和動量的不確定性存在不可減少的噪聲水平，這與不確定性原理一致。
“如果導致不確定性原理和量子物理學令人困惑的特徵的最終原因是由於空間和時間的某些量子效應，那將是一個很棒的結果，”米爾本說。
受實驗測試可能性的啟發，米爾本和其他理論家正在擴充套件迪奧西和彭羅斯的基本思想。在《物理評論快報》7月份的一篇論文中，布倫科透過將引力建模為一種環境輻射，推匯出了引力退相干速率的方程。他的方程包含一個稱為普朗克能量的量，它等於最小可能黑洞的質量。“當我們看到普朗克能量時，我們會想到量子引力，”他說。“所以，這個計算可能觸及了這種尚未發現的量子引力理論的要素，如果我們有一個量子引力理論，它會告訴我們，引力與其它形式的退相干根本不同。”
斯塔普正在發展他所謂的量子引力的“相關路徑理論”，該理論精確指出了引力退相干的可能數學機制。在傳統的量子力學中，未來結果的機率是透過獨立地對粒子可以採取的各種路徑求和來計算的，例如粒子同時穿過螢幕上的兩個狹縫的軌跡。斯塔普發現，當引力被納入計算時，這些路徑會連線起來。“引力基本上是允許不同路徑之間通訊的相互作用，”他說。路徑之間的相關性再次導致退相干。“沒有可調整的引數，”他說。“沒有迴旋餘地。這些預測是絕對確定的。”
在會議和研討會上，理論家和實驗家正在密切合作，協調各種提案和測試計劃。他們說這是一個相互激勵的局面。
“在量子力學和引力的最終對決中，我們對空間和時間的理解將完全改變，”米爾本說。“我們希望這些實驗能指引方向。”
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