- 重力曲线围绕大型物体的空间和时间。当这些物体被放入量子叠加时会发生什么，导致时空以两种不同的方式弯曲？
它开始时就像教科书上的物理实验一样，把一个球拴在弹簧上。如果一个光子击中了这个球，这种冲击会使它非常轻微地振荡。但有个问题。在到达球之前，光子会遇到一面半镀银的镜子，镜子会反射一半射向它的光，让另一半通过。
接下来会发生什么，取决于两种久经考验但相互矛盾的理论中哪一种是正确的：量子力学还是爱因斯坦的广义相对论；它们分别描述了宇宙的小尺度和大尺度性质。
在一种称为“叠加”的奇特量子力学效应中，光子同时穿过镜子，并从镜子上向后反射；然后它既击球又不击球。如果量子力学在宏观层面起作用，那么球将开始振荡并保持静止，进入两种状态的叠加。因为球有质量，它的重力场也会分裂成叠加。
但是根据广义相对论，重力扭曲了球周围的空间和时间。这个理论不能容忍空间和时间以两种不同的方式扭曲，这会破坏叠加的稳定性，迫使球采用一种状态或另一种状态。
知道球发生了什么可以帮助物理学家解决量子力学和广义相对论之间的冲突。但这样的实验长期以来一直被认为是不可行的：只有光子大小的实体才能被置于量子叠加态，只有球大小的物体才有可探测到的引力场。量子力学和广义相对论在完全不同的领域占据主导地位，而且它们似乎只在密度极大、量子大小的黑洞中聚合。在实验室里，正如物理学家弗里曼戴森在2004年所写的那样，“他们的预测之间的任何差异在物理上都无法检测到。”
这种普遍持有的观点已经开始改变。在新的精密仪器和间接探测难以察觉效应的巧妙方法的帮助下，实验人员现在正采取步骤，在光子和球这样的实验中，研究量子力学和广义相对论之间的联系。新的实验可能性正在重新激发80年来对量子引力理论的探索。
在量子力学与引力的最后决战中，我们对时空的理解将彻底改变。
英属哥伦比亚大学的理论物理学家菲利普·斯坦普说：“所有物理学中最大的一个问题是如何调和重力和量子力学。”“突然之间，很明显有一个目标。”
理论家们正在思考这些实验可能会如何进行，以及每一个结果对于一个更完整的理论意味着什么，这个理论将量子力学和广义相对论结合起来。斯坦普说：“他们都没有失败过。“他们不相容的。如果实验能够解决这种冲突，那将是一件大事。”
量子特性
在量子尺度上，基本粒子有一定的概率存在于每一个位置，而不是像球那样“在这里”或“那里”。这些概率就像一个波的波峰，经常在空间中延伸。例如，当一个光子在屏幕上遇到两个相邻的狭缝时，它通过其中一个狭缝的几率为50%。与这两条路径相关的概率峰值在屏幕的远端相遇，产生了光和暗的干涉条纹。这些条纹证明光子存在于两个轨道的叠加中。
但是量子叠加是很微妙的。当一个粒子与环境发生叠加作用时，它似乎会坍缩成一个确定的“这里”或“那里”的状态。“现代理论和实验表明，这种被称为环境退相干的效应的发生，是因为叠加作用会泄漏出来，包裹住粒子所遇到的一切。一旦泄露，叠加迅速扩大到包括试图研究它的物理学家，或试图利用它建造量子计算机的工程师。从内部看，现实的众多叠加版本中只有一个是可以被感知的。
单个光子很容易保持叠加状态。然而，澳大利亚昆士兰大学工程量子系统中心主任杰拉德·米尔本解释说，像弹簧上的球这样的大型物体“对环境扰动变得极其敏感”。“它们的任何一种粒子受到环境随机冲击的可能性都非常高。”
由于环境的退相干性，在桌面实验中探测大规模物体的量子叠加的想法几十年来似乎在水中销声匿迹。米尔本说：“问题在于隔离，确保除了重力之外没有其他干扰。”但前景已显著改善。
但更换球与一个对象被称为光机位振荡器春天——本质上是一个小镜子一个跳板。目标是将振荡器置于两种振动模式的量子叠加中，然后观察重力是否会破坏叠加的稳定性。
波梅斯特实验中所需要的那种最好的光力学振荡器可以不停地来回摆动100,000次。但这还不足以让重力的作用发挥作用。现在，改进后的振荡器可以摆动一百万次，根据布梅斯特的计算，这接近于他所需要的，以便观察或排除重力引起的退相干。“在三到五年内，我们将证明这面镜子的量子叠加，”他说。在那之后，他和他的团队必须减少振荡器上的环境干扰，直到它对单个光子的影响敏感为止。“它会起作用的，”他坚持说。
维也纳大学量子物理学家马库斯·阿斯贝尔迈耶正在进行三项实验，旨在探索量子力学和重力之间的界面。
- 维也纳大学量子物理学家马库斯·阿斯贝尔迈耶正在进行三项实验，旨在探索量子力学和重力之间的界面。
维也纳大学物理学教授马库斯·阿斯贝尔迈耶也持同样乐观的态度。他的团队正在量子重力界面上开发三个独立的实验——两个用于实验室，一个用于轨道卫星。在天基实验中，纳米球被冷却到运动的最低能量状态，激光脉冲将纳米球置于两个位置的量子叠加中，形成类似于双缝实验的情况。当纳米层向探测器移动时，它将表现得像一个有两个干涉峰的波。每个纳米球只能在一个位置被探测到，但经过多次重复实验后，纳米球位置的分布会出现干涉条纹。如果重力破坏了叠加，那么质量太大的纳米球就不会出现条纹。
该小组正在为地球表面设计一个类似的实验，但它将不得不等待。目前，这些纳米球还不能被足够的冷却，而且它们在地球引力的作用下下降得太快，无法进行测试。但是“事实证明，卫星上的光学平台实际上已经满足了我们进行实验所需要的要求，”阿斯贝尔梅耶说，他正在与德国的欧洲航空防务航天公司合作。他的团队最近演示了实验所需的一个关键技术步骤。如果发射成功并按计划进行，它将揭示纳米球的质量与退相干之间的关系，从而使引力与量子力学对立起来。
研究人员在《自然物理》杂志上发表了另一项陆地实验。许多提出的量子引力理论都涉及对海森堡测不准原理的修正。海森堡测不准原理是量子力学的基石，它认为不可能同时精确测量物体的位置和动量。任何偏离海森堡公式的地方都应该显示在光学力学振荡器的位置动量不确定性中，因为它受到重力的影响。这种不确定性本身是不可估量的小——只有质子宽度的1亿到万亿分之一那么模糊——但是阿斯贝尔迈耶小组的理论家伊戈尔·皮科夫斯基发现了一种探测它的后门途径。当光脉冲击中振荡器时，皮科夫斯基声称它的相位(波峰和波谷的位置)将根据不确定性发生明显的偏移。偏离传统量子力学的预测可能是量子引力的实验证据。
摊牌
许多物理学家期望量子理论能占上风。他们认为，原则上，弹簧上的球应该能够同时存在于两个地方，就像光子一样。球的重力场应该能够在量子叠加中干涉自身，就像光子的电磁场一样。“我不明白为什么这些量子理论的概念，已经被证明是正确的光的情况下，应该失败的情况下的重力，”阿斯贝尔迈耶说。
但广义相对论和量子力学本身的不相容表明，引力可能会有不同的表现。一个令人信服的观点是，重力可以作为一种不可避免的背景噪音，使叠加物坍缩。
达特茅斯学院的物理学教授迈尔斯?“我的观点是，重力有点像基本的、不可避免的、最后的求助环境。”
在光学机械振荡器中，两个反射镜之间的光使其中一个反射镜在弹簧上振荡。实验人员计划使用这样的装置来让量子力学与广义相对论对立起来。
- 在光学机械振荡器中，两个反射镜之间的光使其中一个反射镜在弹簧上振荡。实验人员计划使用这样的装置来让量子力学与广义相对论对立起来。
背景噪声的概念是在20世纪80年代和90年代由匈牙利威格纳物理研究中心的Lajos Diosi和牛津大学的Roger Penrose分别提出的。根据彭罗斯的模型，时空曲率的差异可以在叠加过程中累积，最终摧毁它。物体的质量或能量越大，其引力场越大，就会越快地发生“重力退相干”。时空差异最终导致粒子位置和动量的噪声达到不可约水平，符合不确定性原理。
米尔本说:“如果不确定性原理和量子物理的一些令人困惑的特性的最终原因是空间和时间的量子效应，那将是一个非常好的结果。”
受到实验测试可能性的启发，米尔本和其他理论家正在扩展迪奥西和彭罗斯的基本思想。在《物理评论快报》、发表的一篇论文中，布伦考通过将重力建模为一种环境辐射，推导出了一个重力退相干率方程。他的方程包含一个叫做普朗克能量的量，它等于可能存在的最小黑洞的质量。“当我们看到普朗克能量时，我们会想到量子引力，”他说。“所以，这个计算可能触及了这个尚未发现的量子引力理论的元素，如果我们有的话，它将向我们展示，引力与其他形式的退相干从根本上是不同的。”
斯坦普正在开发他所称的量子引力的“相关路径理论”，该理论指出了引力退相干的一种可能的数学机制。在传统的量子力学中，未来结果的概率是通过对粒子可以走的各种路径分别求和来计算的，比如它在屏幕上同时通过两个狭缝的轨迹。斯坦普发现，当重力包括在计算中，路径连接。“重力基本上是允许不同路径之间交流的交互作用，”他说。路径之间的相关性再次导致退相干。“没有可调参数，”他说。“没有回旋的余地。这些预测是绝对肯定的。”
在会议和研讨会上，理论家和实验主义者正在密切合作，以协调各种各样的建议和测试计划。他们说这是一个相互激励的情况。
米尔本说:“在量子力学和引力的最后决战中，我们对时空的理解将彻底改变。”“我们希望这些实验能起到带头作用。”