引力是量子力吗？

引力、强力、弱力、电磁力，是自然界中已知的四种基本力，它们在不同的尺度上各司其职，支配着宇宙万物的运行。

一百多年前，爱因斯坦提出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。然而，当我们谈及黑洞的中心和宇宙大爆炸时，它就失效了。在最微小的尺度，我们所需要的是量子力学。

除了引力之外，其它三种基本力都与量子理论良好地结合在一起，成功地描述着最微小尺度上的宇宙。然而，在过去的80多年里，包括爱因斯坦在内的一代又一代杰出的物理学家，都在试图将量子理论与引力统一起来，可至今仍没有人成功。

一直以来，这样一个问题一直萦绕在物理学家的心头：引力是一种量子力吗？现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员提出了一项可能有助于解决这个问题的实验。

这个实验利用了量子理论中的两个最奇怪的性质——叠加和纠缠。

根据叠加原理，一个未受扰动的原子可以被描述为一种波，它具有一定概率可以同时出现在两个地方。例如，当一个未受干扰的原子穿过一个有两个狭缝的区域时，它并不是通过其中一个狭缝，而是同时通过两个狭缝。由于原子是用波来描述的，所以通过一个狭缝的部分会与通过另一个狭缝的部分相互干涉，产生一种明暗相间的条纹图案。明亮的条纹对应于两个波的波峰和波谷对齐的区域，因此它们叠加在一起产生了相长干涉；而暗的条纹对应于两波的波峰和波谷相互抵消的区域，产生了相消干涉。

纠缠是另一种奇异的量子现象，拥有这种特性的两个粒子能够以某种方式紧密地联系在一起，以至于它们表现得就像一个单一的实体。测量其中一种粒子的特性，能够自动地迫使另一个粒子具有与其互补的特性，即使这两个粒子之间相距数个星系之远。

在量子引力理论中，两个大质量物体间的相互吸引是通过一种被称为引力子的假想粒子传递的。引力子在引力中所起到的作用，就如同光子在两个带电粒子之间传递电磁力一样。因此，如果引力子真的存在，它应该能够“连接”，或者说“纠缠”两个大质量物体的性质，就像光子能够“纠缠”两个带电粒子的性质一样。在新的研究中，研究人员就提出了一个巧妙的测试方法，可用来检验两个大质量物体是否可以由引力产生纠缠。

在新的设计中，实验将采用困在原子干涉仪中的冷原子云。干涉仪有两个臂——一个左臂和一个右臂。根据叠加原理，如果原子云中的每个原子都处于纯粹的、未受干扰的量子态，那么它可以被描述为是一个同时占据了两个臂的波。当波的两个部分——一部分来自左臂，一部分来自右臂——重新组合时，就能产生一个干涉图样。这种干涉图样能显示出由任何力——如引力——所导致的发生在路径上的变化。

在干涉仪的外面，将一个小小的有质量的物体悬挂形成一个摆，并让这个物体的初始运动状态为静止状态。可想而知，悬挂的质量和原子会通过引力相互吸引。

设想一下，如果引力子真的存在，引力子间的相互作用也会导致纠缠，那会情况会是什么样？

悬挂着的物体将变得与原子的一个特定位置相关——要么是干涉仪的右臂，要么是左臂。如此一来，这个物体会开始向左或向右摆动。如果原子位于左边，摆就会开始向左摆动；如果原子位于右边，摆就会开始向右摆动。也就是说，引力将“原子在干涉仪中的位置”与“摆开始摆动的方向”纠缠在了一起。

位置的纠缠意味着摆已经有效地对原子的位置进行了测量，将原子精确地定位到干涉仪中的一个特定位置。由于原子不再处于同时处在两个臂中的叠加状态，干涉图样就会消失或者减弱。

（1）在原子干涉仪中，原子的波函数被分成左臂和右臂，然后左臂和右臂的波会重新结合，产生干涉图样；（2）在实验开始之初，原子的波函数是不受摆的影响的，这意味着原子的两臂完全相互干涉；（3）如果引力确实导致了原子和摆之间的纠缠，那么摆就会部分地测量原子的位置，将它集中在两个臂中的其中一个上；（4）在每经过半个振荡周期后，摆就会回到它的起始点，失去它所创造的引力纠缠的所有记忆，恢复干涉图样。| 图片来源：S. Kelley/NIST

当摆动的物体经过半个周期的振荡，回到起点之时，它就失去了它所创造的引力纠缠的所有“记忆”。这是因为无论摆的摆动方向为何，它都返回到了相同的起始位置——如果最初向右摆动，它就为原子在干涉仪的右臂挑选出一出一个正确的位置；如果最初向左摆动，它就为原子在干涉仪的左臂挑出一个正确的位置。当它回到起始位置时，它为原子在左臂或右臂上选择一个位置的可能性是相同的。在那一刻，物体和原子之间的纠缠被消除，原子干涉图样重新出现。

再过半个周期，当摆再向某一边摆动时，纠缠就会重新建立，干涉图样再次减弱。随着摆的来回摆动，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，干涉的消失和恢复，就是证明纠缠存在的确凿证据。除了引力纠缠，其他任何现象都难以产生这样的循环。

虽然从实际操作的角度来看，完美地实现这样的实验可能需要十年或更长的时间，但初步版本或许能在几年内就能完成。比如研究人员可以利用各种“捷径”，来让观测变得更加容易。其中最大的捷径就是——去接受这样的假设，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。研究人员指出，这项实验的成功必须要将所有非引力的量子纠缠考虑在内，这需要仔细的设计和测量才能排除。

#创作团队：

文：NIST

#参考来源：

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

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

#图片来源：

封面图：Navid saberi / Pixabay