本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
傳統觀點認為，把“量子引力”和“實驗”這兩個詞放在同一個句子中，就像把物質和反物質放在一起一樣。你只會得到一個大爆炸；這兩者根本不相容。引力的獨特量子特徵只會在極端環境下顯現，例如黑洞的內部或宇宙的誕生之初，在任何實驗室都無法重現的極小距離和極大能量下。即使擁有整個星系能量資源的宇宙文明可能也做不到。
然而，物理學家從來都不怎麼遵循傳統觀點，研究量子引力的夢想也過於吸引人而無法放棄。目前，物理學家實際上並不知道引力是如何運作的——他們為自然界的每一種力都建立了量子理論，唯獨引力沒有。正如愛因斯坦所展示的那樣，引力是特殊的：它不僅僅是一種普通的作用力，而是時空結構的反映，其他一切都依賴於此。在量子引力理論中，所有支配自然的原則都將結合在一起。如果物理學家能夠觀察到引力的某些獨特量子特徵，他們就將瞥見自然世界的根本統一。
即使他們不能將粒子加速器提升到所需的能量水平，這也沒有阻止他們設計間接實驗——這些實驗不是試圖一口吞下整個問題，而是逐漸啃食。我的獲獎同事邁克爾·莫耶在二月份的封面故事中描述了一個實驗，還有許多其他實驗也正在醞釀之中。與其說物質和反物質，“量子引力”和“實驗”更像是花生醬和巧克力。它們實際上搭配起來相當美味。
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上個月在奧斯汀舉行的美國天文學會會議上出現了一個例子。密歇根理工大學的羅伯特·內米羅夫展示了他的團隊對極高能量、短波長宇宙伽馬射線的研究。這個想法可以追溯到1990年代末，短波長光子可能比長波長光子對時空的微觀量子結構更敏感，就像一輛小輪胎的汽車會被路上的顛簸晃得厲害，而一輛巨型卡車甚至感覺不到一樣。這種效應可能很微弱，但如果光子傳播數十億年，即使是最細微的減速或加速也會顯著改變它們到達的時間。內米羅夫的團隊專注於由費米太空望遠鏡觀測到的伽馬射線暴GRB 090510A。它大約在70億年前爆發，短波長和長波長的光子幾乎在同一時間到達——相差不超過大約1毫秒。任何速度差異最多為十的二十次方分之一，這意味著量子引力幾乎沒有阻礙這些光子。
理論物理學家長期以來一直爭論量子引力是否會改變光子速度，大多數人對負面結果並不感到驚訝。但重要的是思維方式的轉變。實驗者和觀察者更關心我們能看到什麼，而不是我們應該看到什麼。這些人喜歡製造東西。如果他們能製造出某種可能使引力和量子力學相互作用的裝置，他們就會去做，不管理論家怎麼說。他們採取“如果你建造了它，就會有東西出現”的態度。從歷史上看，物理學透過以最少的偏見觀察自然而得到了很好的發展。
最新的想法是應用量子光學和相關學科的技術，這些技術可以操縱光子和其他粒子，以構建加密通訊連結，開發量子計算機的元件，並在極低的溫度下研究物質。這個行業的工具是干涉儀，一種探測粒子波動性的裝置。它由一個粒子源、一個粒子探測器以及從一個到另一個的兩條路徑組成。由於量子性，粒子會同時走兩條路徑。也就是說，對應於粒子的波分裂成兩部分，傳播一段距離，然後再次融合在一起。路徑的相對長度（或任何其他使它們不同的因素）決定了波是否會相互加強或抵消，從而決定了探測器將檢測到什麼。
乍一看，這些裝置似乎是最不可能尋找量子引力的地方。它們是明顯的低能實驗，通常在餐桌大小的實驗室工作臺上進行。那裡既沒有伽馬射線，也沒有加速粒子。但是莫耶的封面故事描述了干涉儀如何作為一種極其精確的測距儀器。如果時空因量子漲落而動盪不安，路徑相對長度的任何變化都將在探測器上記錄下來。
去年春天，維也納的一個物理學家團隊在Časlav Brukner的領導下探索了干涉儀的另一種用途：看看量子粒子是否真的像愛因斯坦所設想的那樣遵守引力定律。這本身不是量子引力——粒子是量子的，但引力的行為方式是嚴格經典的。儘管如此，這仍然是兩個理論如何相互作用的一個引人入勝的例子。你可能會認為單個粒子上的引力太微弱而無法測量，但干涉儀可以做到這一點。你可以將其設定為兩條路徑處於不同的高度，因此會經歷不同的引力勢，這將在探測器上記錄下來。
這種型別的實驗，最早在1975年使用中子完成，證實了牛頓引力定律同樣適用於行星和粒子。後來的實驗，特別是諾貝爾獎得主、美國能源部長朱棣文的實驗，旨在更進一步，尋找廣義相對論中不同於牛頓理論的獨特特徵。他們聲稱發現了這些特徵，但其他人持謹慎態度。具有諷刺意味的是，朱棣文的主要懷疑者正是1997年諾貝爾獎的另一位得主，克勞德·科恩-坦努吉。
維也納團隊透過提出一個改進的實驗來繞過爭議。它不僅僅將任何粒子傳送透過干涉儀，而是傳送一個像微型時鐘一樣行動的粒子——透過旋轉或衰變來標記時間。廣義相對論預測，時鐘在進入引力場越深時執行速度越慢，在這個實驗中，它不僅會區分兩條高度不等的路徑，還會完全消除粒子的波動性。波性質的消失將是廣義相對論的明確指紋，也是通往量子引力的墊腳石。目前的干涉儀缺乏尋找這種效應所需的精度，但這只是時間問題。（抱歉，忍不住用了這個詞。）更多資訊，請參閱作者自己的部落格文章和他們去年秋天在《自然通訊》上發表的論文。
另一種方法是基於在越來越大的系統中觀察獨特量子效應的努力。維也納的物理學家與倫敦的一位同事合作，認為有兩種方法可以實現高能量，從而探測量子引力。你可以將大量的能量注入一個單獨的粒子中，也可以組裝大量的低能量粒子，並哄騙它們像一個大粒子一樣集體行動。
提出的實驗涉及一個微小的鏡子，它位於一個微小的彈簧上。透過將光照射到鏡子上，你可以將其阻尼下來，直到該裝置達到其可能的最低能量，此時它就像一個單獨的量子。它的質量為20微克，它所具有的總能量（透過E=mc2計算）將與可想象的最強大的單個粒子一樣多。透過繼續將光照射到鏡子上，你可以完全控制它的位置和動量。該團隊建議讓裝置進行一個迴圈：稍微重新定位它，然後給它一個速度，然後將其返回到原始位置，然後使其停止。儘管鏡子回到了它開始的地方，但它與以前並不完全相同——對應於鏡子的量子波發生了輕微的移動。類似地，當汽車發動機完成一個迴圈時，它會回到相同的內部狀態，但會讓你在路上走得更遠。
從技術上講，殘餘位移是量子非對易性的結果——即操作順序對量子系統有影響。重新定位，然後改變速度，與改變速度，然後重新定位是不同的。非對易性是著名的海森堡不確定性原理的基礎，該原理認為你無法以完美的精度測量某物的位置和動量；你需要進行權衡。
有趣的是，量子引力可能會修改不確定性原理。正如Backreaction的薩賓·霍森菲爾德上週三描述的那樣，引力效應可能會設定自然界中任何事物可能具有的最小長度，這意味著無論你願意接受多少動量不精確性，位置測量永遠不會比最小長度更精確。微型鏡實驗可以發現這一點。
維也納人富有創造力地提出的另一種方法，尚未用於具體的實驗，但通常受到實驗主義思維方式的啟發，是以具體的而非抽象的方式定義量子引力思想。理論家認為，時空中的量子漲落可能會使因果關係序列模糊不清，其實際結果是改變物理學家在實驗室中觀察到的相關性型別。但維也納人建議從另一個角度思考：物理學家在實驗室中觀察到某些型別的相關性，並從中得出關於時空的結論。
這種反轉的好處在於，你可以想象觀察到無法用時空術語解釋的相關性——例如，無法放入因果序列中的相關性，即使在原則上也不能。按照量子資訊理論家的慣用風格，該團隊以遊戲的形式表達了他們的想法。假設兩個玩家，愛麗絲和鮑勃，在兩個隔間中，每個隔間都配備了一個紅色和一個綠色按鈕，以及一個紅色和一個綠色的燈；當愛麗絲按下按鈕時，鮑勃隔間中相應的燈會亮起，反之亦然。
每個玩家拋一枚硬幣。遊戲的目標：猜測對方拋硬幣的結果。他們必須在拋硬幣之前做出猜測。在正常的時空中，遊戲以因果序列展開。其中一個玩家必須先行動——比如，愛麗絲。她的紅燈和綠燈是暗的，因為鮑勃還沒有機會按下任何按鈕，所以她能做的最好的事情就是猜測他的結果。她將自己的結果傳送給鮑勃，以便至少他總是得到正確的答案。總的來說，他們有75%的時間能得到兩個正確的結果。
但想象一下，按鈕和燈光之間的關聯性與誰先操作無關。那麼，愛麗絲的燈會亮起，她就可以對鮑勃的結果做出有根據的猜測。如果你將量子力學擴充套件到涵蓋這種情況，你可以計算出獲勝的機率：大約 85%，比所有事情都安排得井井有條時他們所能達到的要好。
當量子效應發揮作用時，“時空”會失去我們通常與之相關的一些最基本特徵，例如物體在特定時間和特定地點存在的概念。在維也納的場景中，你失去了講述故事的能力：一件事發生了，然後是另一件事，然後又是另一件事。它變成了一個達達主義的混亂。即使對於理論物理學家來說，這也是一個如此奇怪和抽象的概念，任何能夠將其視覺化的方式都算作進步。因此，即使實驗人員無法構建實際的實驗，他們腳踏實地的思維方式也為現代科學中一些最棘手的問題提供了新的視角。
這是 NOVA 部落格 “現實的本質” 上一篇文章的完整版本。
圖片來源：費米實驗室