• ​重力曲線圍繞大型物體的空間和時間。當這些物體被放入量子疊加時會發生什麼，導致時空以兩種不同的方式彎曲？

它開始時就像教科書上的物理實驗一樣，把一個球拴在彈簧上。如果一個光子擊中了這個球，這種衝擊會使它非常輕微地振盪。但有個問題。在到達球之前，光子會遇到一面半鍍銀的鏡子，鏡子會反射一半射向它的光，讓另一半通過。

接下來會發生什麼，取決於兩種久經考驗但相互矛盾的理論中哪一種是正確的：量子力學還是愛因斯坦的廣義相對論；它們分別描述了宇宙的小尺度和大尺度性質。

在一種稱為“疊加”的奇特量子力學效應中，光子同時穿過鏡子，並從鏡子上向後反射；然後它既擊球又不擊球。如果量子力學在宏觀層面起作用，那麼球將開始振盪並保持靜止，進入兩種狀態的疊加。因為球有質量，它的重力場也會分裂成疊加。

但是根據廣義相對論，重力扭曲了球周圍的空間和時間。這個理論不能容忍空間和時間以兩種不同的方式扭曲，這會破壞疊加的穩定性，迫使球採用一種狀態或另一種狀態。

知道球發生了什麼可以幫助物理學家解決量子力學和廣義相對論之間的衝突。但這樣的實驗長期以來一直被認為是不可行的：只有光子大小的實體才能被置於量子疊加態，只有球大小的物體才有可探測到的引力場。量子力學和廣義相對論在完全不同的領域佔據主導地位，而且它們似乎只在密度極大、量子大小的黑洞中聚合。在實驗室裡，正如物理學家弗里曼戴森在2004年所寫的那樣，“他們的預測之間的任何差異在物理上都無法檢測到。”

這種普遍持有的觀點已經開始改變。在新的精密儀器和間接探測難以察覺效應的巧妙方法的幫助下，實驗人員現在正採取步驟，在光子和球這樣的實驗中，研究量子力學和廣義相對論之間的聯繫。新的實驗可能性正在重新激發80年來對量子引力理論的探索。

在量子力學與引力的最後決戰中，我們對時空的理解將徹底改變。

英屬哥倫比亞大學的理論物理學家菲利普·斯坦普說：“所有物理學中最大的一個問題是如何調和重力和量子力學。”“突然之間，很明顯有一個目標。”

理論家們正在思考這些實驗可能會如何進行，以及每一個結果對於一個更完整的理論意味著什麼，這個理論將量子力學和廣義相對論結合起來。斯坦普說：“他們都沒有失敗過。“他們不相容的。如果實驗能夠解決這種衝突，那將是一件大事。”

量子特性

​在量子尺度上，基本粒子有一定的概率存在於每一個位置，而不是像球那樣“在這裡”或“那裡”。這些概率就像一個波的波峰，經常在空間中延伸。例如，當一個光子在屏幕上遇到兩個相鄰的狹縫時，它通過其中一個狹縫的機率為50%。與這兩條路徑相關的概率峰值在屏幕的遠端相遇，產生了光和暗的干涉條紋。這些條紋證明光子存在於兩個軌道的疊加中。

但是量子疊加是很微妙的。當一個粒子與環境發生疊加作用時，它似乎會坍縮成一個確定的“這裡”或“那裡”的狀態。“現代理論和實驗表明，這種被稱為環境退相干的效應的發生，是因為疊加作用會洩漏出來，包裹住粒子所遇到的一切。一旦洩露，疊加迅速擴大到包括試圖研究它的物理學家，或試圖利用它建造量子計算機的工程師。從內部看，現實的眾多疊加版本中只有一個是可以被感知的。

單個光子很容易保持疊加狀態。然而，澳大利亞昆士蘭大學工程量子系統中心主任傑拉德·米爾本解釋說，像彈簧上的球這樣的大型物體“對環境擾動變得極其敏感”。“它們的任何一種粒子受到環境隨機衝擊的可能性都非常高。”

由於環境的退相干性，在桌面實驗中探測大規模物體的量子疊加的想法幾十年來似乎在水中銷聲匿跡。米爾本說：“問題在於隔離，確保除了重力之外沒有其他干擾。”但前景已顯著改善。

但更換球與一個對象被稱為光機位振盪器春天——本質上是一個小鏡子一個跳板。目標是將振盪器置於兩種振動模式的量子疊加中，然後觀察重力是否會破壞疊加的穩定性。

波梅斯特實驗中所需要的那種最好的光力學振盪器可以不停地來回擺動100,000次。但這還不足以讓重力的作用發揮作用。現在，改進後的振盪器可以擺動一百萬次，根據布梅斯特的計算，這接近於他所需要的，以便觀察或排除重力引起的退相干。“在三到五年內，我們將證明這面鏡子的量子疊加，”他說。在那之後，他和他的團隊必須減少振盪器上的環境干擾，直到它對單個光子的影響敏感為止。“它會起作用的，”他堅持說。

維也納大學量子物理學家馬庫斯·阿斯貝爾邁耶正在進行三項實驗，旨在探索量子力學和重力之間的界面。

• ​維也納大學量子物理學家馬庫斯·阿斯貝爾邁耶正在進行三項實驗，旨在探索量子力學和重力之間的界面。

維也納大學物理學教授馬庫斯·阿斯貝爾邁耶也持同樣樂觀的態度。他的團隊正在量子重力界面上開發三個獨立的實驗——兩個用於實驗室，一個用於軌道衛星。在天基實驗中，納米球被冷卻到運動的最低能量狀態，激光脈衝將納米球置於兩個位置的量子疊加中，形成類似於雙縫實驗的情況。當納米層向探測器移動時，它將表現得像一個有兩個干涉峰的波。每個納米球只能在一個位置被探測到，但經過多次重複實驗後，納米球位置的分佈會出現干涉條紋。如果重力破壞了疊加，那麼質量太大的納米球就不會出現條紋。

該小組正在為地球表面設計一個類似的實驗，但它將不得不等待。目前，這些納米球還不能被足夠的冷卻，而且它們在地球引力的作用下下降得太快，無法進行測試。但是“事實證明，衛星上的光學平臺實際上已經滿足了我們進行實驗所需要的要求，”阿斯貝爾梅耶說，他正在與德國的歐洲航空防務航天公司合作。他的團隊最近演示了實驗所需的一個關鍵技術步驟。如果發射成功並按計劃進行，它將揭示納米球的質量與退相干之間的關係，從而使引力與量子力學對立起來。

研究人員在《自然物理》雜誌上發表了另一項陸地實驗。許多提出的量子引力理論都涉及對海森堡測不準原理的修正。海森堡測不準原理是量子力學的基石，它認為不可能同時精確測量物體的位置和動量。任何偏離海森堡公式的地方都應該顯示在光學力學振盪器的位置動量不確定性中，因為它受到重力的影響。這種不確定性本身是不可估量的小——只有質子寬度的1億到萬億分之一那麼模糊——但是阿斯貝爾邁耶小組的理論家伊戈爾·皮科夫斯基發現了一種探測它的後門途徑。當光脈衝擊中振盪器時，皮科夫斯基聲稱它的相位(波峰和波谷的位置)將根據不確定性發生明顯的偏移。偏離傳統量子力學的預測可能是量子引力的實驗證據。

攤牌

許多物理學家期望量子理論能佔上風。他們認為，原則上，彈簧上的球應該能夠同時存在於兩個地方，就像光子一樣。球的重力場應該能夠在量子疊加中干涉自身，就像光子的電磁場一樣。“我不明白為什麼這些量子理論的概念，已經被證明是正確的光的情況下，應該失敗的情況下的重力，”阿斯貝爾邁耶說。

但廣義相對論和量子力學本身的不相容表明，引力可能會有不同的表現。一個令人信服的觀點是，重力可以作為一種不可避免的背景噪音，使疊加物坍縮。

達特茅斯學院的物理學教授邁爾斯?“我的觀點是，重力有點像基本的、不可避免的、最後的求助環境。”

在光學機械振盪器中，兩個反射鏡之間的光使其中一個反射鏡在彈簧上振盪。實驗人員計劃使用這樣的裝置來讓量子力學與廣義相對論對立起來。

• ​在光學機械振盪器中，兩個反射鏡之間的光使其中一個反射鏡在彈簧上振盪。實驗人員計劃使用這樣的裝置來讓量子力學與廣義相對論對立起來。

背景噪聲的概念是在20世紀80年代和90年代由匈牙利威格納物理研究中心的Lajos Diosi和牛津大學的Roger Penrose分別提出的。根據彭羅斯的模型，時空曲率的差異可以在疊加過程中累積，最終摧毀它。物體的質量或能量越大，其引力場越大，就會越快地發生“重力退相干”。時空差異最終導致粒子位置和動量的噪聲達到不可約水平，符合不確定性原理。

米爾本說:“如果不確定性原理和量子物理的一些令人困惑的特性的最終原因是空間和時間的量子效應，那將是一個非常好的結果。”

受到實驗測試可能性的啟發，米爾本和其他理論家正在擴展迪奧西和彭羅斯的基本思想。在《物理評論快報》、發表的一篇論文中，布倫考通過將重力建模為一種環境輻射，推導出了一個重力退相干率方程。他的方程包含一個叫做普朗克能量的量，它等於可能存在的最小黑洞的質量。“當我們看到普朗克能量時，我們會想到量子引力，”他說。“所以，這個計算可能觸及了這個尚未發現的量子引力理論的元素，如果我們有的話，它將向我們展示，引力與其他形式的退相干從根本上是不同的。”

斯坦普正在開發他所稱的量子引力的“相關路徑理論”，該理論指出了引力退相干的一種可能的數學機制。在傳統的量子力學中，未來結果的概率是通過對粒子可以走的各種路徑分別求和來計算的，比如它在屏幕上同時通過兩個狹縫的軌跡。斯坦普發現，當重力包括在計算中，路徑連接。“重力基本上是允許不同路徑之間交流的交互作用，”他說。路徑之間的相關性再次導致退相干。“沒有可調參數，”他說。“沒有迴旋的餘地。這些預測是絕對肯定的。”

在會議和研討會上，理論家和實驗主義者正在密切合作，以協調各種各樣的建議和測試計劃。他們說這是一個相互激勵的情況。

米爾本說:“在量子力學和引力的最後決戰中，我們對時空的理解將徹底改變。”“我們希望這些實驗能起到帶頭作用。”