参考消息网6月25日报道 英国《新科学家》周刊网站5月12日刊登题为《解决物理学核心最难谜题的大胆挑战》的文章，作者是乔恩·卡特赖特，内容编译如下：

  物理学很难。想要发现时空中的涟漪吗？你需要一台能够看到小于原子百万分之一长度变化的探测器。想找到希格斯玻色子吗？没问题，只要你有70亿美元、14年时间和6000名科学家。甚至有一项实验难到就连最乐观的物理学家都要望而却步：验证引力具有量子性质的理念。

  量子引力理论是现代物理学仍未达到但孜孜不倦追求的目标。我们对宇宙的描述有两个支柱：广义相对论，即宏观层面的引力理论；以及量子力学，即对自然界中其他基本力的微观描述。量子引力理论将调和这两个目前不兼容的支柱。分开来说，它们都经过了验证，并且总能轻松过关。然而，如果我们试图把它们结合起来，事情就不对了。如果能证明引力具有量子性质(或许是通过找到引力的量子粒子)，就几乎可以解决这个问题了。然而，即使是我们最强大的探测器，也完全不具备发现这些所谓的引力子所需的极高能量。

  将引力“量子化”

  现代物理学的两大支柱从来就不太可能共存。一方面，根据广义相对论，宇宙由一个连续的、可预测的时空构成，当时空围绕大质量物体弯曲时，就会出现一种特殊的力——引力。另一方面，根据量子力学，宇宙中所有的物质和力都应该是由不可分割的粒子组成的，这些粒子具有一种奇怪的特性——它们不能确定自己的确切位置。

  几十年来，物理学家混乱地使用这两种理论。一般而言，广义相对论适用于引力起主导作用的超大物体，而量子力学适用于自然界中的其他力起主导作用的很小物质。但最终，以下两者不可能同时成立：自然界不可能既是连续的，又由不可分割的粒子组成；也不可能同时具有可预测性和随机性。这一点在宇宙大爆炸时最为明显。当时，宇宙中的一切物质都被压缩成一个无限小的点，其具有无限大的引力。任何希望理解这一极端事件的人都只能尝试调和。

  将引力纳入量子力学的框架——将引力“量子化”——是半个多世纪来基础物理学最大的课题。有些人提出了一些想法，声称可以解决这个问题。其中看起来最有希望的是弦理论，该理论用振动的弦来替代基本粒子。因为弦可以自然地在多个更高的维度上展开，大爆炸就不再是一个纯粹的奇点。因此，广义相对论和量子力学在无穷小尺度上出现的矛盾就变小了。另一种调和这两种理论的手段是圈量子引力，它试图用不可分割的量子单位来构建时空本身。两者都相当于设想出了量子版本的引力——这两种理论都是数学上极难的课题，但更难的是没有任何方法能对它们进行实证检验。早在1957年，理论物理学家理查德·费曼就说过，“一个很大的困难”是，缺乏验证量子引力特征的实验。他说：“而且，我们也无法进行任何实验。”

  在他的断言背后，存在相当基础的逻辑。我们知道，量子力学范畴的所有其他力都是经由不可分割的粒子传导的：经由光子传导的电磁力影响光和物质的基本化学性质；经由胶子传导的强力将原子内的质子和中子维系在一起；经由W玻色子和Z玻色子传导的弱力使某些粒子能够进行放射性衰变。如果引力的基础原理与这些力相同，那么它也应该由专门的粒子——引力子——传导。的确，引力子可能是一些更基础现象的表象——例如，弦理论中弦的嗡嗡声，或者圈量子引力中时空的激发。但无论是哪种理论，几乎肯定会出现像引力子这样的东西。

  问题是，一种力越弱，它的粒子就会越少与其他粒子相互作用。而引力是一种非常弱的力。看到引力把一个苹果从树枝上拉到地表，我们可能会认为引力是很强的力，但两个苹果之间的引力弱到几乎无法感知。这就是为什么在实验中发现引力子的前景渺茫到难以想象。根据传统理论，只有在能量高到超乎想象的条件下，才能感受到量子引力的影响。就连大型强子对撞机——探测到希格斯玻色子的强大粒子加速器——的能量也太低了，根本无法观测到量子引力的作用。在21世纪初，理论物理学家弗里曼·戴森说，你需要用到的探测器可能大到会自我坍缩，形成一个黑洞。

  引力子的“砰”声

  这也就难怪下面这件事会让人们震惊了：瑞典斯德哥尔摩大学的伊戈尔·皮科夫斯基领导的一个研究团队去年提出，在实验室中有可能做到这一点。他们的实验设计要用到一个非常小的金属棒，就像一个极小的音叉。首先，将这个金属棒冷却到接近绝对零度。这样一来，其原子都处于相同的行为状态。接下来，用激光照射金属棒，将原子的集体状态极其轻微地推向既共振又不共振的状态——一种模糊的量子态。研究人员称，这样设置后，哪怕最微小的干扰——单个引力子发出的“砰”声——也能引发金属棒的充分共振。

  这项实验听起来美妙到不像是真的——在其他一些物理学家看来，它就是很难实现。在皮科夫斯基团队发表论文的几个月前，美国劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家丹尼尔·卡尼及其同事再度研究了以下问题：利用专为捕捉引力波而设计的技术能否探测到引力子？

  卡尼及其同事问道：“如果引力波能被探测到，那么为什么引力子不能被探测到呢？”引力波基本上就是一堆引力子。而研究人员计算出，过去十年里开发出的技术已经灵敏到能感知小到足以构成单个引力子的波。但其中有一个隐藏的困难：任何探测到的信号都会与正好很小的经典非量子引力波发出的信号相同。卡尼指出，在皮科夫斯基团队提出的金属棒-共振器实验中，任何被记录下来的“砰”声同样是模棱两可的。他说：“你用一些能量冲击它，它就会开始动。但你并不知道引力场有没有量子化。”

  金属棒-共振器实验实际上能表明什么，人们对此的意见并不统一。包括卡尼在内的一些人认为，这项实验不能说明引力具有量子性质。另外一些人，比如皮科夫斯基和牛津大学理论物理学家弗拉特科·韦德拉尔，则认为这项实验能有力地证明引力具有量子性质，只不过并非完全可靠。不管怎样，大多数人都认为，探测到明确的引力子信号是一个不可能实现的梦想。皮科夫斯基说：“为了得到一个明确的引力量子化证据，我们可能还要再等100年或更长时间。”

  这样看来，引力子不能直接被探测到，而要发现任何引力纠缠的迹象都需要等上15年甚至更长时间——即便到了那时，可能仍无法确定。这看起来确实有点扫兴，但不是毫无意义的。因为还有一条路，即把问题转一个方向：如果引力不具有量子性质呢？

  我们有充分的理由认为，引力与其他力是完全不同的。首先，引力是唯一影响一切物质的力。在广义相对论中，这是因为引力等同于时空的曲率，引力的作用不是让物体相互吸引，而是在时空结构中创造出一个斜坡，让物体滑下来。从这个意义上说，引力不像其他力那样是一种真正的力——它更像是一种几何上的幻象。

  检验量子引力

  为了不打破这种简洁的描述方式，一些理论物理学家试图找到保留经典时空的解释方法。他们把引力分出来，认为引力是唯一不具有量子性质的基本力。在某些假设中，引力甚至会打破质量超过一定数值物体的量子性质。这就可以解释为什么我们的日常世界看起来是经典的，而不是量子的。这种所谓的“半经典”解释方法中有各种观点，但正如伦敦大学学院的乔纳森·奥本海姆领导的一个团队在2023年展示的那样，这些观点必然都有一个共同点：存在某种引力随机性，也可以称为噪声。

  要理解其原因，可以想象一个有质量的实体。根据标准的量子力学，这个实体在同一时间处于两个位置。那么这个实体的引力是来自其中一个位置，还是另一个位置？如果引力不是量子化的力，而是时空的固有特征，那么这个实体的引力就不可能同时来自两个位置——毕竟时空只有一个。如果实体的位置是不确定的，而时空是确定的，那么时空顶多能猜测该在哪里弯曲。

  奥本海姆说，关键不在于引力是如何做到这一点的，而在于如果引力是时空的一个基本特征，那么它就必须以某种方式做到这一点。这意味着，如果引力本身不具有量子性质，那么任何涉及有质量实体的精确实验从根本上说都准确性有限——必然会存在一些噪声。奥本海姆说：“任何理论，如果其包含时空从根本上说是经典的概念，就都会出现这种情况，所以涉及范围非常广。”

  关键是，与证明引力子的存在和引力纠缠的实验不同，检验这个观点的实验现在就可以开始做。事实上，已经有这样的实验了。2021年，维也纳大学的一个由马库斯·阿斯佩尔迈尔领导的团队制作了一些金珠，每个金珠的直径只有几毫米。研究人员在一根牙签大小的杆子两端各绑上一颗金珠，使其看起来像一个微型哑铃，然后把杆子水平悬挂在弹簧上。接下来，他们在附近振荡第三颗金珠，看看它的引力是否会使另外两颗金珠移动。他们由此探测到的加速度大约是地球引力引发的加速度的千亿分之一——这是迄今为止记录到的最小的引力源。

  这种测量还不够精确——奥本海姆认为，要想获得任何有关引力本质的有用信息，测量结果需要比现在精确1000倍。但我们正在迅速提升精确度。阿斯佩尔迈尔的团队已经完成了一项升级版实验，该实验利用了计算机芯片制造技术，实验中使用的实体质量是之前的万分之一。

  验证这一点需要多长时间？没有人确切知道。但曾经被认为不可能的事情——真正验证引力是否具有量子性质，而不仅仅是思考这个问题——看起来终于有希望实现了。（编译/胡雪）