量子引力檢驗即將到來

中國科學院高能物理研究所 凌意 編譯自 Philip Ball. Physics，February 10，2026

本文選自《物理》2026年第4期

在確定正確的量子引力理論之前，研究人員需要知道引力是否真的是量子化的。目前相關實驗檢驗正在發展之中。

量子力學可以說是我們擁有的最嚴格有效的科學理論，但它不可能是物理世界的終極理論，因為它與愛因斯坦的引力理論——廣義相對論不相吻合。這兩種理論可以協調起來嗎？還是說其中一種必須被別的理論所取代？

量子力學和廣義相對論之間的僵局已經持續了許多年。一些頂尖的物理學家視廣義相對論為至高無上。來自伊利諾伊大學的諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特懷疑地表示，如果你將量子力學推至極致，它將會崩潰，而其他理論將取而代之。另一位諾貝爾物理學獎獲得者、英國牛津大學的教授羅杰·彭羅斯在1989年就寫道：“人們必須強烈意識到一種可能性，即將量子力學應用于宏觀物體顯然是錯誤的。”

大多數物理學家認為，萊格特所說的“其他理論”將是量子力學和廣義相對論的聯姻：一種有關引力的量子理論。沒有人知道這個理論會是什么樣子，目前的諸多努力(其中弦論是最著名的例子)還沒有做出可供實驗檢驗的預言。

新澤西州史蒂文斯理工學院的Igor Pikovski說道，到目前為止，所有將廣義相對論量子化的嘗試都沒有得到令人滿意的答案。但他和其他人提出了一個可能更簡單的問題，這個問題不是問什么是量子引力理論，而是問引力本身是否是量子化的？

引力場是否必須被量子化并不是絕對的，盡管自然界其他三種基本力(電磁力、強核力和弱核力)都是用量子力學術語來描述的。倫敦大學學院的Sougato Bose說：“關于引力是量子的還是經典的，這其實是一個懸而未決的問題”。Pikovski說，這個問題是“現代物理學最大的挑戰”。

Bose認為，與尋找引力的量子理論相反，簡單地問引力是否是量子的不僅可能有一個明確的答案，而且這個問題在不久的將來可以通過實驗來回答。Pikovski說，如果引力被證明不是量子的，那么“當引力與量子系統相互作用時，一些非常基本的東西必須被打破。因此，無論這個大難題如何被解決，都將徹底改變物理學。”

Bose和Pikovski是目前計劃進行實驗的成員之一，他們希望這些實驗能在不久的將來得出答案。這些實驗需要超越當前測量精度的限制，但研究人員表示，相關技術已經建立得很好；所需要做的就是改進現有的方法。“這是一個激動人心的時刻，”Pikovski說道。

方程的兩邊

一般來說，廣義相對論被用于預測非常大質量物體的行為，如恒星和星系，而量子力學則描述非常小的物體，如原子和基本粒子。但當大質量物體遇到非常小的物體時，可能會出現問題。例如對于黑洞，廣義相對論預言物質可以坍塌到一個稱為奇點的無窮小點，但量子力學卻設定了一個最小尺寸——普朗克長度——比這個尺寸更小時，時空的經典圖像就會崩潰。

但我們無需深入黑洞內部，就能看到這兩種理論之間的緊張關系，它在愛因斯坦的廣義相對論方程中就已經很明顯了，該方程將物體的質量和能量與物體產生的時空曲率聯系起來。曲率在方程中表現為一個連續的經典變量，但我們從量子力學中知道，能量和質量通常采用一個具有分立值的量子描述。

理論學家已經用了各種方式來處理這種明顯的不一致性。彭羅斯認為如果廣義相對論是經典的，那它就可能會“破壞”量子力學。例如，考慮一個處于位置疊加態的量子物體，它被觀測時可以處于多個位置。因為物體的質量，這種狀態要求多重時空的疊加，每一個時空都處于不同的彎曲狀態。彭羅斯認為，對于質量足夠大的物體，維持疊加態所需的能量將變得過大，導致疊加態無法維持穩定。所以物體的質量越大，那么引力就越可能使得疊加態“塌縮”形成單一位置態，從而“迫使”其失去量子性而成為經典粒子。

另外一種可能是，雖然質量是一般量子化的，但其行為依然表現得它好像是由一個連續、經典參數描述的有效值，正是這個有效值控制著時空曲率——從而保持了時空曲率的經典性。當前這種“混合理論”已經很少有支持者了，但原則上它們依然是一個選擇。

更多研究者相信引力必須是量子化的。倫敦帝國理工學院的宇宙學家Claudia de Rham說，如果引力根本上是一種經典現象，那么具有質量的任意物體，如電子，通過引力相互作用，都應該能夠使我們同時精確確定其位置和動量，而這是被量子力學所禁止的。她說，這種基于引力的精確定位將嚴重破壞量子計算，導致觀測到某些測量結果的概率變成負值或者大于100%，乃至復數。

“從這個角度看，”de Rham說，“引力的量子本質不僅是一種可能性，而且是絕對必須的，否則我們所知道的自然界法則都將崩潰。”加州理工學院的Kathryn Zurek同意這種觀點：“我們相信引力是量子的，因為我們相信物理學應該如此！”然而，大多數研究者認為這個想法必須經過檢測。畢竟，Zurek說：“物理學是一門經驗學科。”

引力疊加

2017年，Bose和他的同事以及另一個獨立工作組，提出了一個利用量子糾纏來檢驗引力量子本質的實驗。量子糾纏是量子物體相互作用使得它們相互依賴的一種現象，Bose和同事認為，只有通過量子場相互作用才能使兩個物體之間產生糾纏，而經典場是不能產生糾纏的(盡管可能存在某些例外)。

研究人員的想法是制備兩個處于位置疊加態的質量粒子，并確保它們僅通過引力發生相互作用。要產生這樣的位置疊加態，他們建議采用一種稱為施特恩—格拉赫干涉儀的技術：一個量子粒子通過干涉儀，使得其位置分裂成兩束沿不同路徑傳播的波，然后作為疊加態重新合并。科研團隊理論上證明，如果發現兩個質量粒子間產生了糾纏，那么引力一定是量子的。

這個實驗的一個挑戰是僅通過引力來耦合兩個量子物體，同時確保它們之間沒有電磁相互作用。采用不帶電粒子會有所幫助，但它們依然會通過卡西米爾效應來傳遞電磁相互作用。卡西米爾效應源于一個物體會在另一個物體的電子云中“感受”到漲落，這種影響可以延伸至幾微米大小。

同時因為引力相比于其他力十分微弱，它僅在物體質量很大時才會顯著地耦合兩個相對分離的物體。然而，物體的質量越大，就越難把它制備成明確的疊加態。

Bose和他的合作者估計，質量大約為10-14 kg的物體應該是最佳選擇，比如直徑為幾十個納米大小的鉆石晶體：它們質量足夠大到能感受到另一個的引力，同時依然足夠小到可以制備明確的量子疊加態。團隊發現，將一對這樣的納米晶體放置在激光光鑷中且相距100 μm左右，那么它們所感受到的引力相互作用應該比任何殘余的卡西米爾力大十倍左右。

揭示引力量子化的一個潛在信號，就是兩個帶質量物體能純粹通過引力相互作用而形成量子糾纏態。為此，物體必須足夠小以便處于明確的量子態，但同時又要足夠大以便彼此間有顯著的引力相互作用。納米顆粒，比如2020年維也納大學的研究人員將直徑為150 nm的二氧化硅粒子放置在量子基態，可能是一個恰當的尺寸

研究人員設想為每個納米晶體賦予單個量子自旋，這一自旋可以在每個晶格中由一個被稱為氮-空位中心的單個缺陷產生。這些晶體處于位置的疊加態，意味著每個晶體均可被視為同時處于兩個不同的位置，從而與另一個晶體具有不同距離，并對它施加不同的引力吸引。根據標準的量子力學——同時假設引力是量子的——這些條件將自動在兩個自旋中產生糾纏，這種糾纏將在自旋測量中產生可被觀測的關聯。

2024年，Bose和同事提供了實驗的另一個版本，實驗中將其中一個納米晶體當作探測器，對另一個初始處于疊加態的納米晶體進行測量。如果這種探測干擾了疊加態，那么引力的“量子性”也就被揭示了出來。

兩種情況都極具挑戰性。Bose估計，通過實驗來實現其中一種情況都將耗時十年以上。最大的難點在于將相對大的物體制備成量子疊加態。納米晶體需要被冷卻到它們毫無疑義地處在最低能級的量子態。2020年，研究人員采用150 nm寬的二氧化硅晶體實現了這種冷卻。但將這種基態物體制備成位置疊加態依然有巨大挑戰，盡管最近有研究人員宣稱對含有大約7000個鈉原子的納米顆粒做到了這一點。

找尋引力子

Pikovski和合作者提出了不同的方案來探尋引力的量子本性。如果引力是量子場，那么它將有一種被稱為引力子的相關粒子成為力的媒介，正如電磁力是由光子來傳遞的一樣。“最近，我的研究組(在理論上)證明人們可以通過量子傳感來探測單個引力子，”他說。

其基本理念是，一個質量體在它的自然共振頻率可能釋放或吸收單個引力子，這可由一些天體物理源普遍存在的引力波背景嗡嗡聲所激發。“如果諧振器和經過的波具有相同頻率，引力子就可以被吸收，引力子的能量就會轉化為振動”，Pikovski說。團隊將在振動能量中看到一個分立的跳動。這個概念類似于20世紀60年代用來探測引力波的大金屬圓柱體——不同之處在于，Pikovski的實驗被調整為探測單個引力子。

在環境引力場中的單個引力子基本沒有被吸收或檢測到的機會。Pikovski說，“但是穿越的引力波有數量巨大的引力子，大約有1036個,所以有一定幾率其中的一個被吸收”。研究人員計算了諧振器的理想質量是幾千克。盡管存在巨大挑戰，Pikovski說已經有幾個研究團隊對挑戰該實驗感興趣。從一個提案到實際探測，LIGO計劃經歷了50年，最終于2015年探測到引力波，“在當前技術條件下，我很自信這個實驗可以更快完成”，他說。

然而，Zurek提出了另外一個方案來證明引力是量子化的：她們在一個被稱為GQuEST的實驗里，提出利用光束的散射來找尋時空中的量子漲落。她說，這些量子漲落類似于真空中那些連續產生粒子—反粒子對的漲落。如果引力是量子的，那么量子引力的漲落將在大范圍頻率內產生微弱的皺褶時空的引力波。

此前大家廣泛認為這種效應太過微弱乃至不能在實驗室中被觀測到，因為這些漲落哪怕存在，也只在10-35 m的尺寸上顯現。所以，“當我2017年開始研究這一課題時，人們感到頗為不安”，Zurek說，“我們在引力如何工作的問題上挑戰了傳統智慧”。這個探測方案中的關鍵是，一些漲落將會是很多引力子集體行為的結果——足以成為潛在的觀測結果。

GQuEST實驗將通過這些集體引力波模式在激光束中尋找單個光子的散射。Zurek和同事希望通過使用臂長7 m的干涉儀來逐個發現這些散射光子。當然還有其他的光子散射源，但是由量子引力所誘導的散射將具有其自身特征，如對設備尺寸和干涉臂之間夾角的特定依賴性。

目前加州理工學院正在建造GQuEST干涉儀，但由于很難達到所需的靈敏度，實驗的開始日期尚未確定。Zurek說，理論工作正在進展當中：“我們還沒有計算出探測的每一個細節，我也仍未理解透徹。”

然而Pikovski對這些研究的前景持樂觀態度，“我能想象觸及引力量子特征的實驗將在幾年或十幾年內成熟，特別是現在正在探索的一些新想法和修正方案。”

天空中的量子引力

探測到量子引力的印跡并不局限于實驗室中的高精度實驗。“證明引力量子特征最有前景的方式之一是在天空中尋找其跡象，”deRham說。她和有些人相信如果引力是量子的，那量子漲落應該使時空在量子尺寸上變得粗糙。這種粗糙應該從宇宙誕生之初就留下了印跡。特別是，這些量子漲落應該產生一種原初引力波背景，它將在宇宙微波背景輻射中留下極化的特征模式。

極早期宇宙時空中的量子漲落——量子引力的一種特征——也許可以在將來高精度的觀測中通過宇宙微波背景輻射的極化模式被檢測到。這里的色階表示了宇宙微波背景中極小的溫度差別，而紋理指示極化方向

繪制這種極化的努力正在取得進展。但是從中找到(或排除)所預期的原初引力波模式依然極具挑戰性，因為輻射在穿行宇宙的旅途中將受到各種相互作用特別是塵埃的影響。2014年，合作組利用南極的BICEP2望遠鏡宣稱看到了原初引力波，但后來顯示所觀測到的極化實際上是由我們銀河系中的塵埃所導致。

de Rham表示，要在宇宙微波背景中鑒別真正的原初極化，并檢驗它是否與引力的量子圖像一致，我們可以寄希望于一些觀測儀器，例如氣球搭載的SPIDER微波探測器和位于智利的塞蒙斯天文臺望遠鏡。如果足夠幸運，她補充道，這些數據也許會提供一些引力子的信息，比如它的質量。對于這些基本問題的信息缺失，顯示當前研究人員對于引力的量子描述依然知之甚少，但是隨著解決這個現代物理核心問題的努力越來越多，我們有理由相信一些答案將很快到來。

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