萬物理論的最後一塊拼圖？將引力與量子力學統一，連愛因斯坦都沒有做到

藝術家對中子星合併產生的引力波的再現。原始宇宙是引力波的另一個來源，如果引力波能被探測到，那麼這個發現就能幫助物理學家設計出一種量子引力理論。

宇宙中所有的基本力都遵循量子力學的定律，除了引力。找到一種將引力融入量子力學的方法，將使科學家向「萬物理論」邁進一大步。「萬物理論」可以從基本原理上完全解釋宇宙的運行。在探索引力是否為量子的過程中，關鍵的第一步是探測長期以來假設的引力基本粒子，引力子。在對引力子的尋找中，物理學家現在轉向了涉及微觀超導體、自由下落晶體和大爆炸餘輝的實驗。

量子力學認為所有的東西都是由量子組成的，或者說由能量包組成，它們的行為既像粒子又像波，例如，光的量子被稱為光子。探測引力子，一種假設的引力量子，將證明引力是由量子組成的。問題是引力特別弱。物理學家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)曾提出過一個著名的觀點，想要直接觀察引力子對物質產生的極其微小的影響，那麼引力子探測器的質量必須非常大，大到以至於它自己會坍縮，形成一個黑洞。

荷蘭代爾夫特理工大學的量子物理學家Richard Norte說:「量子引力理論的一個問題是，它們的預測通常幾乎不可能通過實驗來驗證，這就是為什麼存在這麼多相互競爭的理論，這也是為什麼我們在理解它的實際工作原理方面沒有取得成功的主要原因。」

然而，澳大利亞阿德萊德大學的現任理論物理學家James Quach在2015年提出了一種利用量子性質來探測引力子的方法。量子力學表明宇宙本質上是模糊的，例如，一個人永遠不可能同時知道一個粒子的位置和動量。這種不確定性的其中一個後果是，真空永遠不會完全是空的，而是其中有一種所謂的虛擬粒子的「量子泡沫」，這種「量子泡沫」不斷地出現和消失。這些幽靈般的實體可能是任何一種量子，包括引力子。

幾十年前，科學家發現虛擬粒子可以產生可探測的力。例如，卡西米爾效應是在真空中放置在一起的兩面鏡子之間所看到的吸引或排斥現象。這些鏡子反射表面的運動是由虛光子產生的力引起的。先前的研究表明，超導體對引力子的反映可能比普通物質更強烈，因此Quach計算出，在真空中尋找兩個超導體薄片之間的相互作用可以揭示一種引力的卡西米爾效應，效應產生的力可能比標準的基於虛擬光子的卡西米爾效應所預期的力大10倍。

最近，Norte和他的同事開發了一種微型晶元來進行這個實驗。這個晶元容納了兩個微鋁塗層板，它們被冷卻到接近絕對零度，從而成為超導材料。一塊平板連著一面可移動的鏡子，激光射向那面鏡子。如果板塊因為引力卡西米爾效應而移動，那麼從鏡子反射出去的光的頻率就會發生可測量的位移。正如7月20日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)網路版上的詳細資料所示，科學家們沒有發現任何引力卡西米爾效應。這個空頭結果並不一定排除了引力子的存在和引力的量子性質。麻省理工學院的量子物理學家、諾貝爾獎得主弗蘭克?維爾切克(Frank Wilczek)表示，更確切地說，這可能只是意味著，引力子與超導體的相互作用並不像先前的研究估計的那麼強。Wilczek沒有參與這項研究，但是他對其研究的無效結果並不感到意外。即便如此，Quach說，這是「探測引力子的勇敢嘗試」。

雖然Norte的微晶元沒有發現引力是否為量子，但其他科學家正在尋找各種方法來尋找引力量子效應。例如，在2017年，兩項獨立研究表明，如果引力是量子，它可能會在粒子之間產生一種被稱為「量子糾纏」的聯繫，這樣一個粒子就會瞬間影響到另一個粒子，無論它們位於宇宙的哪個位置。利用激光束和微觀鑽石進行桌面實驗可能有助於尋找這種基於引力的糾纏。這些鑽石晶體將被保存在真空中，以避免與原子碰撞，這樣它們只可以單獨通過引力相互作用。科學家們會讓這些鑽石同時掉落，如果引力是量子的話，每個晶體對另一個晶體發出的引力會使它們糾纏在一起。

研究人員會在鑽石下落後，用激光照射每顆鑽石的心臟來尋找糾纏。如果晶體中心的粒子朝一個方向旋轉，它們就會發出熒光，但如果它們朝另一個方向旋轉，它們就不會發出熒光。

如果兩個晶體的自旋同步的概率超過了偶然的概率，這就意味著產生了量子糾纏。來自荷蘭格羅寧根大學的量子引力研究員Anupam Mazumdar說:「世界各地的實驗者都很想接受這個挑戰。」

麻省理工學院量子物理學家艾倫?古斯(Alan Guth)表示，尋找量子引力證據的另一個策略是觀察宇宙微波背景輻射，即宇宙大爆炸微弱的餘輝。當宇宙在大爆炸後的一秒鐘內以驚人的速度膨脹時，根據Guth被廣泛支持的宇宙膨脹模型，這些短波長的波長會在整個宇宙中延伸到更遠。量子引力的證據，可以以宇宙微波背景輻射里光子偏振或排列中的漩渦這種形式被看到。

然而，這些被稱為b模式的漩渦的強度在很大程度上取決於膨脹的確切能量和時間。Guth說:「一些版本的膨脹預測表明，這些b模式很快就會被發現，而另一些版本則預測說，b模式非常弱，根本就沒有可能探測到它們。但如果它們被發現了，而且它們的性質符合膨脹預期的話，那對證明引力是量子化的這個假設來說將會是非常有力的證據。」

另一個查實引力是否為量子的方法是直接觀察引力波中是否存在量子波動，引力波被認為是由大爆炸後不久產生的引力子組成。激光干涉儀引力波天文台(LIGO)在2016年首次探測到引力波，但是它對探測早期宇宙中膨脹到宇宙尺度的波動引力波來說還不夠敏感，Guth說。Wilczek補充說，太空中的引力波觀測站，如激光干涉太空天線(LISA)，則有可能探測到這些波。

然而，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的天體物理學家Richard Lieu最近在《經典與量子引力》(Classical and Quantum Gravity)雜誌上發表的一篇論文中指出，如果引力子所攜帶的能量與目前粒子物理模型所顯示的一樣多，那麼LIGO早就應該已經探測到了引力子才對。這可能是因為引力子的能量比預期的要少，但Lieu認為這也可能意味著引力子並不存在：「如果引力子根本不存在，對大多數物理學家來說，這將是一個好消息，因為我們在發展量子引力理論方面正在經歷一段黑暗的時期。」

然而，設計消除引力子的理論可能並不比設計保持引力子的理論容易。Guth認為：「從理論角度來看，很難想像引力可以避免被量子化，我並不知道任何錶明量子物質可以與經典力學理論相互作用的合理理論，我想像不了這樣的理論會站得住腳。」

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