這個簡單的思想實驗說明了我們為什麼需要量子引力理論

量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合起來。對經典引力的量子修正被可視化為環路圖，如圖中白色所示。空間(或時間)本身是離散的還是連續的還沒有決定，就像重力是否被量化的問題一樣。

有兩種理論可以解釋已知宇宙中所有的粒子及其相互作用：廣義相對論和粒子物理學的標準模型。廣義相對論完美地描述了我們所見過的任何地方的引力。從我們在實驗室測量過的微小尺度的引力到由於地球、太陽、黑洞、星系或整個宇宙而導致的空間膨脹和曲率，我們的觀測和測量從未偏離過我們所預測到的。標準模型同樣適用於其他三種力：電磁力、強核力和弱核力。每一個實驗、測量和觀察都完全符合這兩個理論。

聽起來很棒，這兩個理論就像兩個國家的國王，自己管理著自己的王國，兩個王國各自建設的非常好，而且它們之間也秋毫無犯。但是有一天，你邀請兩個國王過來，商量建立一個統一的聯合王國，結果，你發現一切太難了，除了語言障礙外，還有很多地方無法融合。

這兩個國王就是相對論和標準模型，如果我們試圖融合它們，一切都會崩潰。解決方案？這就是量子引力理論的產生原因。

任何質量物體周圍的時空曲率都是由質量和質心距離的結合決定的。其他問題，如速度、加速度和其他能量來源，都必須考慮在內。

根據愛因斯坦的引力理論，我們可以計算宇宙中任何位置的空間曲率，從地球上的這個地方到宇宙中最大的尺度。從微米級到極端環境下的天體物理尺度上，比如銀河系中心，合併中子星，黑洞邊緣，我們都進行了實驗用來測試引力定律，甚至一些深奧的預測，如引力波的產生、參考系拖拽，或者行星軌道的進動，都完全符合我們所做過的所有預測。無論如何，愛因斯坦的理論完美地描述了現實。

粒子物理學的標準模型包含了四種力中的三種（除了重力），發現的粒子的全部組合，以及它們所有的相互作用。夸克和輕子是費米子，它們有許多其他（玻色子）粒子所沒有的獨特屬性。

從標準模型中，我們知道了電、磁、放射性衰變和核力是如何工作的。取任意一個粒子，讓它與宇宙中的其他粒子相互作用（或不相互作用），我們就會知道所有可能結果的概率分布。即使量子世界不是完全確定的，我們仍然可以用精確的數學方法成功地描述預期的結果集。如果我們成千上萬次地進行同樣的實驗，我們將會看到結果與我們最好的量子預測相匹配，即使是奇怪和不直觀的設置。

但是，如果我們特別看一個這樣的實驗——著名的雙縫實驗——我們馬上就能明白為什麼量子引力理論是絕對必要的。

由於托馬斯·楊的雙縫實驗，光的波狀特性得到了更好的理解，在這種實驗中，建設性的和破壞性的干涉戲劇性地顯現出來。自17世紀以來，這些實驗因經典波而聞名，在1800年左右，楊證明了他們也適用於光。

假設你有一組量子粒子，它們可以是光子、中微子、電子或者其他任何東西。想像一下，你已經把它們設置好了，這樣它們就會轟擊一個很小的屏障區域，兩個狹縫被切成非常近的距離，以允許這些量子粒子通過。在屏障的後面，你將設置一個屏幕，這樣你就可以檢測到微粒的最終歸宿。這是雙縫實驗的經典設置。

如果你同時發射一堆粒子，它們就像一個波。粒子可能穿過一個或另一個縫隙，但它們會相互干涉。一天結束時，你會在屏幕上看到一個清晰可識別的干涉圖案，就像你看到的水波穿過一組類似的裂口一樣。

對光進行的雙縫實驗產生干涉圖案，就像對任何波一樣。不同顏色的光的性質是由於它們的波長不同。

你不能讓你的粒子相互干擾，所以你決定一次發射一個粒子。你測量它在屏幕上的位置並記錄它，然後你發射下一個粒子。你選擇哪個粒子並不重要；如果我們能在屏幕上檢測到它，我們就能看到同樣的行為。這種干涉模式建立在「一次發射一個粒子」的情況下，但顯然干涉條紋仍然出現了。不知何故，這些量子粒子似乎同時通過兩個狹縫，並與自身干涉。

電子通過雙縫的波型，一次一個。如果你測量「哪個狹縫」電子穿過，你就破壞了這裡顯示的量子干涉圖樣。注意，需要多個電子來揭示干涉圖樣。

也許你覺得自己不喜歡這種量子怪癖，所以你決定測量每一個粒子真正穿過的縫隙。你在每個縫隙周圍設置一個光電探測器，並測量當粒子通過它的時候。第一個粒子穿過，你發現它通過2號狹縫；第二個到達，也經過2號狹縫；第三個穿過1號狹縫；然後是四號粒子到2號狹縫；然後是五號粒子到1號狹縫。你一遍又一遍地重複這個過程，直到發射了成千上萬的粒子。當你看到屏幕上的結果圖案時，你會發現非常麻煩的事情：干涉圖案不見了。相反，你看到的是一堆粒子穿過1號狹縫，另一堆粒子穿過2號狹縫。他們不干涉。

如果你從狹縫處就具體測量每個電子穿過哪個裂縫，那麼你就不會在它後面的屏幕上看到干涉圖樣。也就是說，再觀察者參與下，電子不是像波一樣運動，而是像經典粒子一樣運動。

這是奇怪的！這種非直覺的古怪反而是量子物理學和作為強大工具的一般標準模型的核心思想。在基本的量子層面上，我們可以準確地預測什麼時候有量子行為，什麼時候沒有，當它出現的時候會是什麼樣子。

對於電磁、強核力和弱核力來說，這是非常有效的。它工作得如此之好，以至於儘管它們可能很奇怪，但任何可重複的實驗都能與標準模型的預測有相同的意義。然而，如果我們要問下面這個簡單的問題，我們沒有辦法得到答案：

當一個電子穿過一個雙縫時，它的引力場會怎樣?

當電子穿過一個雙縫時，如果引力本質上上是量子的，那麼就會變現為圖示上半部分那樣，電子的引力也會隨電子在雙縫處的出現概率而表現為不同的出現概率，或者如果引力本質上不是量子的，那麼就會如圖示下半部分那樣總是兩個雙縫處同時出現，它的引力場的表現完全不同。

我們無法回答這個問題的原因是我們不知道量子尺度上關於引力的大量性質。我們不知道引力是否量子化。粒子必須被量子化，但引力可能不是，如果不是，雙縫實驗將給出不同的結果。

我們不知道空間是從根本上是離散的（最小長度尺度）還是連續的。如果有一個最小的長度，我們的實驗將會有一個基本的解析度限制，一個我們可能在某一天在足夠高的能量下遇到的。有些問題我們無法回答，在某些實驗條件下，引力是如何運動的。

即使是兩個合併的黑洞（宇宙中引力信號最強烈的來源之一），也不會留下可以探測量子引力的可觀測特徵。為此，我們必須做一些實驗來探索相對論的強場機制。或者利用實驗室的巧妙設置。

原則上我們知道，引力場應該圍繞電子的位置，就像它對任何質量一樣。但是當電子的位置本質上是不確定的時，這意味著什麼呢?引力場總是主要通過一個狹縫還是另一個狹縫？觀察（或不觀察）的行為會改變引力場嗎？如果是這樣，如何改變？

電子的引力場很弱，我們不能在實踐中觀察它。惠勒(Wheeler)、費曼(Feynman)和德威特(DeWitt)在20世紀60年代開發的方程描述了粒子在量子重力弱場極限下的預期行為，但這些方程從未經過實驗測試。這樣做目前超出了我們的能力範圍，但仍有希望。

這個實驗裝置能夠測量引力場和影響到毫米級的質量，從「測量毫克質量的微小力學原理驗證實驗」。

有一些被提議的實驗裝置可以讓我們比以往更精確地測量引力場：精確到毫克質量。另一方面，我們已經設法將相對較大的物體（相對於基本粒子）帶入量子狀態疊加：比如達到納米克級的質量。這些狀態的確切能級取決於系統的總引力能，這使得這成為一個現實的，可信的測試來確定引力是否被量化。當技術和實驗技術進步到一定程度時，這兩個尺度就會相交。當那一刻到來的時候，我們將能夠探索量子引力機制。

一個納米級的鋨絲盤（一種稀有元素製作的納米級碟片）的能級，以及自我引力的影響(右)或不會(左)影響這些能級的特定值。圓盤的波函數，以及它是如何受到引力的影響，可能會導致第一次實驗測試重力是否真的是一個量子力。

廣義相對論提出的描述——物質告訴空間如何彎曲，彎曲空間告訴物質如何移動，看來需要被增強了，以便包含一個不確定的位置，因為它有一個概率分布。引力是否量子化仍然是未知的，它與這種假設實驗的結果有很大關係。確切地說，一個不確定的位置如何轉化成引力場，仍然是一個尚未解決的問題。量子力學的基本原理必須是普遍的，但是這些原理如何應用於引力，尤其是通過雙縫的粒子，在我們的時代是一個很大的未知數。

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