1天前（6月11日）
量子力學(xué)認(rèn)為，一切都是由量子(能量包)構(gòu)成的，它們既可以表現(xiàn)為粒子，也可以表現(xiàn)為波——例如，光的量子被稱為光子。探測(cè)引力子(假設(shè)的引力量子)將證明引力是量子的。問(wèn)題是引力非常弱。物理學(xué)家弗里曼·戴森有一句名言：為了直接觀察引力子對(duì)物質(zhì)的微小影響，引力子探測(cè)器必須非常大，以至于它自身坍縮形成黑洞。
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子物理學(xué)家理查德·諾特說(shuō)：“量子引力理論的一個(gè)問(wèn)題是，他們的預(yù)測(cè)通常幾乎不可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證?！薄斑@就是為什么存在這么多相互競(jìng)爭(zhēng)的理論的主要原因，也是為什么我們沒(méi)有成功地理解它實(shí)際上是如何運(yùn)作的?！?/p>
然而，2015年，澳大利亞阿德萊德大學(xué)的理論物理學(xué)家詹姆斯·夸克提出了一種利用引力子的量子特性來(lái)探測(cè)引力子的方法。量子力學(xué)表明宇宙本質(zhì)上是模糊的——例如，一個(gè)人永遠(yuǎn)不可能同時(shí)絕對(duì)知道一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。這種不確定性的一個(gè)后果是，真空永遠(yuǎn)不會(huì)完全是空的，而是充斥著由所謂的虛擬粒子組成的“量子泡沫”，這些粒子不斷地出現(xiàn)或消失。這些幽靈般的實(shí)體可能是任何一種量子，包括引力子。
幾十年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)虛擬粒子可以產(chǎn)生可檢測(cè)的力。例如，卡西米爾效應(yīng)是在真空中緊密放置的兩個(gè)鏡子之間看到的吸引或排斥現(xiàn)象。這些反射表面的移動(dòng)是由于虛擬光子閃爍時(shí)產(chǎn)生的力。之前的研究表明，超導(dǎo)體對(duì)引力子的反射可能比普通物質(zhì)更強(qiáng)，因此，奎克計(jì)算出，尋找真空中兩個(gè)超導(dǎo)體薄片之間的相互作用，可以揭示引力卡西米爾效應(yīng)。由此產(chǎn)生的力可能比標(biāo)準(zhǔn)的基于虛擬光子的卡西米爾效應(yīng)的預(yù)期力強(qiáng)10倍左右。
Norte和他的同事開發(fā)了一種微芯片來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)芯片有兩個(gè)鍍鋁的微晶片，它們幾乎被冷卻到絕對(duì)零度，因此它們變成了超導(dǎo)。一塊金屬板被固定在一面可移動(dòng)的鏡子上，一束激光射向那面鏡子。如果這些板塊由于引力卡西米爾效應(yīng)而移動(dòng)，那么反射到鏡子上的光的頻率就會(huì)發(fā)生明顯的變化。正如《物理評(píng)論快報(bào)》上詳細(xì)報(bào)道的那樣，科學(xué)家們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何引力卡西米爾效應(yīng)。這個(gè)零的結(jié)果并不一定排除重力的存在，因此也不排除重力的量子性質(zhì)。麻省理工學(xué)院的量子物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主弗蘭克·威爾切克說(shuō)，相反，這可能僅僅意味著引力子與超導(dǎo)體的相互作用不像之前的工作所估計(jì)的那樣強(qiáng)烈。威爾切克沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，對(duì)其無(wú)效的結(jié)果并不感到驚訝。即便如此，奎克說(shuō)，這“是探測(cè)重子的勇敢嘗試”。
雖然Norte的微芯片沒(méi)有發(fā)現(xiàn)引力是否是量子的，但是其他科學(xué)家正在尋找各種方法來(lái)發(fā)現(xiàn)引力量子效應(yīng)。例如，2017年的兩項(xiàng)獨(dú)立研究表明，如果引力是量子，它可能會(huì)在粒子之間產(chǎn)生一種被稱為“糾纏”的聯(lián)系，因此，無(wú)論粒子位于宇宙的哪個(gè)位置，一個(gè)粒子都會(huì)瞬間影響另一個(gè)粒子。利用激光束和微觀鉆石在桌面上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可能有助于尋找這種基于重力的糾纏。這些晶體將被保存在真空中，以避免與原子發(fā)生碰撞，因此它們將僅通過(guò)重力相互作用?？茖W(xué)家們會(huì)讓這些鉆石同時(shí)下落，如果引力是量子的，那么每個(gè)晶體對(duì)另一個(gè)晶體的引力就會(huì)把它們纏在一起。
研究人員將在鉆石掉落后，用激光照射每顆鉆石的心臟，以尋找糾纏。如果晶體中心的粒子以一種方式旋轉(zhuǎn)，它們就會(huì)發(fā)出熒光，但如果它們以另一種方式旋轉(zhuǎn)，它們就不會(huì)發(fā)出熒光。如果這兩種晶體的自旋同步的頻率比偶然性預(yù)測(cè)的要高，這就意味著糾纏。荷蘭格羅寧根大學(xué)的量子引力研究員阿努帕姆·馬祖姆達(dá)爾是其中一項(xiàng)糾纏研究的合著者，他說(shuō)：“世界各地的實(shí)驗(yàn)主義者都很好奇地接受這個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>
麻省理工學(xué)院的宇宙學(xué)家艾倫·古斯說(shuō)，尋找量子引力證據(jù)的另一種策略是觀察宇宙微波背景輻射，即大爆炸發(fā)出的微弱余輝。根據(jù)古斯廣受支持的宇宙膨脹模型，當(dāng)宇宙在大爆炸后不到一秒鐘的時(shí)間里驚人地膨脹時(shí)，這些短波長(zhǎng)就會(huì)在宇宙中擴(kuò)展到更長(zhǎng)的尺度。量子引力的這一證據(jù)可以從宇宙微波背景輻射的光子的偏振或排列中看到漩渦。
然而，這些被稱為b型模式的渦旋的強(qiáng)度在很大程度上取決于膨脹的確切能量和時(shí)間。古斯說(shuō)：“一些版本的通貨膨脹預(yù)測(cè)說(shuō)，這些b型模態(tài)應(yīng)該很快就會(huì)被發(fā)現(xiàn)，而另一些版本的預(yù)測(cè)說(shuō)，這些b型模態(tài)非常微弱，根本不可能探測(cè)到它們。”“但如果它們被發(fā)現(xiàn)，而且這些性質(zhì)符合通脹預(yù)期，這將是引力被量化的非常有力的證據(jù)。”
另一種確定引力是否是量子的方法是直接觀察引力波中的量子漲落，引力波被認(rèn)為是由大爆炸后不久產(chǎn)生的引力子組成的。Guth說(shuō)，激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)在2016年首次探測(cè)到了引力波，但它還不夠靈敏，無(wú)法探測(cè)到早期宇宙中膨脹到宇宙尺度的波動(dòng)引力波。威爾切克補(bǔ)充說(shuō)，太空中的引力波觀測(cè)站，如激光干涉儀太空天線(LISA)，有可能探測(cè)到這些波。
然而，阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校的天體物理學(xué)家理查德·劉(Richard Lieu)在最近被《經(jīng)典與量子引力》雜志接受的一篇論文中辯稱，如果LIGO攜帶的能量與目前一些粒子物理學(xué)模型所顯示的能量相同，那么它應(yīng)該已經(jīng)探測(cè)到了引力子?？赡芤ψ铀鶖y帶的能量比預(yù)期的要少，但劉云平認(rèn)為這也可能意味著引力子并不存在。劉云平說(shuō)：“如果引力子根本不存在，這對(duì)大多數(shù)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)將是個(gè)好消息，因?yàn)槲覀冊(cè)诎l(fā)展量子引力理論的過(guò)程中經(jīng)歷了如此可怕的時(shí)期?！?/p>
盡管如此，設(shè)計(jì)出消除引力子的理論可能并不比設(shè)計(jì)出保留它的理論容易。古斯說(shuō)：“從理論的角度來(lái)看，很難想象重力如何避免被量化?！薄拔也恢廊魏侮P(guān)于經(jīng)典引力如何與量子物質(zhì)相互作用的合理理論，我也無(wú)法想象這樣的理論會(huì)如何運(yùn)作?！?/p>
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