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
　　来源：原理
　　编辑：Norma、yrLewis