引力是量子吗？实验或将最终揭开物理学的终极谜团之一

量子物理学常被誉为历史上最成功的科学框架。在其百年发展历程中，它解释了从元素周期表到恒星如何发光的一切。但有一个基本现象它却无法解释：引力。

“量子力学和引力如何结合在一起是物理学中最重要的悬而未决的问题之一，”帕萨迪纳加州理工学院 (Caltech) 的理论物理学家凯瑟琳·祖雷克 (Kathryn Zurek) 说。

一代又一代的研究人员试图创建引力的量子理论，他们的工作也催生了复杂的数学概念，例如弦理论。但实验物理学家尚未找到任何确凿的证据，他们甚至不确定这些证据究竟是什么样子。

如今，人们似乎预感到，真知灼见可能就在眼前。过去十年，许多研究人员更加乐观地认为，在实验室中检验引力的真正本质并非遥不可及。科学家们已经提出了一些实验方案，并正在不断提升实验技术的精准度，以期实现这些目标。“无论是实验能力，还是我们对这些实验实际成果的理论理解，都得到了巨大的提升，”维也纳大学实验物理学家、这项工作的先驱马库斯·阿斯佩尔迈耶（Markus Aspelmeyer）说道。

一些提议的测试涉及实验性激光器，这些激光器可以在几年内制造出来。另一些则需要以极其复杂的方式操纵物质，这些方式可能永远无法实现。一个令人震惊的结果可能是，引力根本不是量子现象。

尽管如此，许多研究人员仍然认为，该领域终于走上了正轨。“如果你想有所发现，就必须不断探索，”加州理工学院的实验物理学家李·麦卡勒（Lee McCuller）说道。

引力理论

目前公认的引力理论是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。该理论揭示，引力是物质块之间通过弯曲其运动时空来影响其他物质的方式——类似于台球在蹦床的弹性表面上移动时，使彼此的路径发生弯曲。

广义相对论是一种经典理论，而非量子理论。在量子物理学中，粒子被描述为一团模糊的可能性云，其位置只有在被测量后才具有意义。但爱因斯坦的理论认为粒子是存在于空间中任意给定时间的精确点，并沿着明确定义的轨迹运动的物体。

苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的物理学家弗拉米尼亚·贾科米尼（Flaminia Giacomini）表示，研究人员对引力量子化的概念赋予了多种含义。科学家们普遍认为，任何量子引力理论都必须包含诸如物体具有模糊概率分布而非确定位置等特征。一些理论还认为时空以离散的块体（“量子”）的形式存在，这与爱因斯坦理论中的平滑时空不同，但这绝不等同于引力是量子的，她说道。

在20世纪60年代创建量子引力理论的早期尝试中，理论物理学家试图将广义相对论融入一种数学程序，将经典方程转化为量子方程（并将具有明确属性的物体转化为模糊的概率云）。然而，尽管这种技巧对另一种自然界的基本力——电磁力——非常有效，但在爱因斯坦的理论中，它却得出了一些荒谬的结果，例如一些物理量会膨胀到无穷大。

从零开始构建引力量子理论的努力已经产生了一些数学上一致的结果。最受欢迎的尝试是弦理论，它假设基本粒子实际上是在看不见的空间维度中振动的微小弦。原则上，这可以解决已知基本粒子理论中的一些悖论，并预测新的基本粒子的行为方式与物理学家对引力量子（或称“引力子”）的预期一致。

这确实实现了将引力变成量子理论的目标。但研究人员一直在寻找某些弦理论版本的实验信号，但迄今为止尚未成功。圈量子引力也是如此，这是一种更为激进的方法，它用微小的圈来取代时空结构（而不仅仅是存在于其中的基本粒子）。

一些物理学家对验证他们眼中那些奇特概念（例如弦理论）的前景黯淡感到沮丧。“我认为人们对它失去了兴趣，”英国南安普顿大学理论物理学家伊维特·富恩特斯（Ivette Fuentes）说。

转向实验

一些研究人员并不希望设计新的量子引力理论，而是希望通过实验室测试来探索引力本质上是经典性质还是量子性质等基本问题。

伦敦大学皇家霍洛威学院的实验物理学家理查德·豪尔说：“我们没有任何实验证据证明引力如何变成量子，或者引力是否是一种量子现象。”

“对我来说，最酷的事情就是进行‘是’或‘否’的实验，”阿斯佩尔迈耶说。

研究人员面临的一个重大问题与量子现象“叠加”有关——一个物体可以同时处于两种状态，例如沿相反方向旋转或同时沿着两条不同的路径运动。在任何量子版本的广义相对论中，粒子的台球效应都可能使时空本身处于叠加态：空间沿着一条路径弯曲，同时沿着另一条路径弯曲。理论物理学家们想知道第二个台球应该受到什么样的引力：它会同时沿着两条轨迹下落，将其路径一分为二吗？或者，如果这种量子叠加没有发生，它可能会落向中间的某个点，从而平衡两种引力？

那么，第二个球的存在是否会迫使第一个球“选择”它所走的路径，就像测量装置迫使粒子知道它的位置一样？

在过去的十年里，理论物理学家们意识到，通过量子纠缠这一奇特的现象，应该能够通过实验区分这些概念。在量子力学中，当两个物体相互作用时，它们可以进入一种共同的“纠缠”状态。这意味着，当第一个物体的某个属性被测量并获得确定值时，另一个物体的相应属性也会被设定。

关键思想是，如果两个物体可以在没有任何其他相互作用的情况下通过相互的引力吸引而纠缠在一起，那么引力就一定具有量子性质。

这听起来很抽象，但研究人员已经设计出大量方案来将其付诸实践。

在阿斯佩尔迈耶设想的一项实验中，真空中的一粒微小粒子被置于对应不同位置的叠加态中。然后，研究人员观察附近的第二个粒子是否与它纠缠在一起。第二个粒子只受到第一个粒子的引力，而没有其他作用力。

阿斯佩尔迈耶一直站在改进技术的前沿，以实现这一目标——尽管完整的实验还无法完成。

一个主要的挑战是，物体越大，将物体置于位置叠加中就越困难——毕竟，这种效应在日常生活的宏观尺度上是从未见过的。

到目前为止，研究人员已经利用由数千个原子组成的分子实现了这一目标，并在使相对较大的物体（例如用激光束悬浮的微小玻璃球）悬浮方面取得了重大突破，以展示量子行为的其他方面。Aspelmeyer 指出，一个重要的步骤是将粒子的速度减慢到足以使其运动展现出量子特性：例如，当它们被困在电磁场中时，它们会获得离散的能级。这一壮举于 2020 年首次实现。

阿斯佩尔迈耶梦想中的实验不仅需要两个物体表现出量子行为，还需要它们足够大的质量才能相互产生强大的引力。由于引力是一种非常弱的力，这就需要它们的质量至少达到22微克，包含数千万亿个原子。

阿斯佩尔迈耶目前还无法测量这些物体产生的微小引力。2021年，他报告称，他测量了一个更大的粒子，其质量为90毫克。他将两个这样的质量块分别固定在一根细棍的两端，并用一根绳子将其水平悬挂在中点处。然后，他将第三个90毫克的质量块靠近细棍的一端，并通过测量细棍的旋转来观察引力的影响。

测量较小物体及其引力场的挑战在于，很难将它们与其他相互作用隔离开来——这些相互作用往往比引力强得多。在阿斯佩尔迈耶想要进行的实验中，这种隔离是必要的，这样研究人员才能确信他们所观察到的任何效应确实完全是由引力引起的。

伦敦大学学院 (UCL) 的理论物理学家 Sougato Bose 等人提议进行一项相关实验⁴ ，并获得了一些资助。该实验的理念是让粒子自由落体：研究人员建议将一个微观钻石晶体置于叠加态，使其沿两个平行方向下落，并对另一个相似的晶体进行同样的操作。（这是通过在每个晶体中将其一个自旋态叠加，然后施加磁场来实现的；晶体的偏转方式取决于它们的自旋指向，因为自旋——亚原子粒子的量子特性——的行为很像一个微小的条形磁铁。）总共会有四条路径，所有路径都彼此平行，这会使两个晶体彼此之间的距离不同，因此它们处于感受到不同强度引力的叠加态（参见“量子引力的拟议测试”）。

然后，每个晶体将重新组合成一条路径，读取它们的量子态将揭示它们是否已经纠缠，而纠缠的结果——按照推理——只能通过引力来实现。然而，Bose 表示，实现这些步骤中的每一个步骤都极其困难，可能还需要几十年的时间才能通过实验技术实现测试。（其他团队也提出了类似的方案。）

测试重力的其他方法

尽管 Bose 等人认为，产生纠缠的能力是证明引力具有量子性质的关键，但其他人则表示，现实可能更加微妙。

加州劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家丹尼尔卡尼说：“你并没有真正证明引力是量子的；你只是建立了一些模型来解释引力不是量子的含义，然后试图排除这种可能性。”

他说，如果引力能够使物体纠缠在一起，那么它肯定不是一个经典现象，“但这对引力场的整体结构意味着什么仍是一个悬而未决的问题”。

其他研究小组已经开发出无需纠缠即可测试引力量子性的概念。其中一种方法是由 Howl 与 Fuentes 以及英国牛津大学的理论家 Roger Penrose 共同设计的，它将一团冷原子悬浮在单一量子态中，称为玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC)。然后，原子云的引力自吸引力会使其以不同的方式演化，具体取决于引力是量子的还是经典的。特别是，经典引力永远不会使 BEC 中原子的位置从钟形曲线分布（即具有单峰）演化为具有多个峰的分布。Howl 表示，通过用另一个 BEC 探测 BEC，可以测量这种转变是否发生。

这里，实验的挑战是，BEC 通常由数百万个原子组成，但这个数量需要增加 1000 万倍才能产生可测量的引力，Fuentes 说——尽管各种量子技术技巧可以放宽这一要求。

激光桌面测试

一些量子引力理论或许更容易在实验室中验证。其中一种是由楚雷克及其同事发展起来的另一种量子引力理论。该理论避开了弦理论或其他试图量子化广义相对论的理论，而是以广义相对论的基本对称性为出发点，例如支配时间如何随观察者参考系变化的定律。

祖雷克表示，根据她的理论，如果引力具有量子性质，那么就会产生可探测的现象，例如时空结构中持续、随机的摆动。

麦卡勒正在开发一项名为“时空量子纠缠引力”（GQuEST）的实验测试，其原理验证将于明年完成。从表面上看，GQuEST 看起来像是激光干涉引力波天文台（LIGO）的桌面版本。LIGO 探测器于 2015 年发现了引力波。在 LIGO 探测器上，一束激光被分成两束，并沿着两条呈 L 形排列的臂状物发射出去。两束激光随后分别从一面镜子上反射回来，并在中心点汇合。

麦卡勒一直是提升 LIGO 灵敏度的领军人物，目前他正在使用类似的方案探测空间中的随机膨胀。祖雷克的理论虽然仍在发展中，但对这样的信号做出了精确的预测：它看起来像是频率低于激光频率的稀有光子。麦卡勒表示，为了从光束中提取这些光子，他需要以惊人的效率过滤光子，这相当于从一升水中挑出一个分子。“每个人都说，‘眼见为实’，”他说，但他相信自己能够成功。

后量子理论

经典引力与量子物理共存的可能性仍然存在。长期以来，这种想法被认为是异端邪说，研究人员认为这在逻辑上是不可能的。

但现在，这个问题正受到更严肃的对待。部分原因是伦敦大学学院的理论家乔纳森·奥本海姆（Jonathan Oppenheim）开发了一个模型。在他的“后量子”理论中，引力和时空是经典的，但会受到随机波动的影响。

其代价是物理学本质上是非确定性的，这让许多物理学家难以接受——但这也规避了早期研究人员发现的逻辑上的不可能性，他们的工作假设决定论是不可违背的。“当时的认识是，只要可预测性被打破，时空和量子力学就可以保持一致，”奥本海姆说。同时，他表示，他的理论可以解决另一个悖论：为什么黑洞在缓慢蒸发的过程中似乎会抹去信息？这是已故物理学家斯蒂芬·霍金半个世纪前预测的现象。这似乎也违背了决定论——但在奥本海姆的理论中，这不再是一个悖论。

除了发展他的理论，奥本海姆还提出了一些验证方法。其中一种方法是揭示引力场波动的特征，即自由落体运动中微小的随机抖动。

奥本海姆等人曾在欧洲航天局LISA探路者号探测器2015年至2017年收集的数据中寻找此类噪声的迹象。LISA探路者号探测器将物体置于自由落体状态，并进行测量，作为后续探测引力波的试验平台。他们没有发现任何此类迹象——但这可能意味着探测器的灵敏度可能不足以探测到这些信号。奥本海姆表示，麦卡勒的实验以及旨在于2030年代发射的、旨在探测太空引力波的成熟LISA任务，也可能进行更严格的测试。

卡尼也与他的合作者共同发展了一个理论，可以在没有量子性的情况下解释引力。他的模型基于一个已有数十年历史的观点，该观点认为，我们所观察到的引力是自然界趋向无序（或者物理学家所说的更高熵）的结果。

与其他非量子解释一样，这会给世界带来一些不可预测的因素。卡尼正与加州大学伯克利分校的实验物理学家霍尔格·穆勒合作，通过观察原子在真空中自由下落时的随机抖动来检验该模型的一些精确预测。卡尼表示，他仍然相信引力是量子的，并认为这一解释和其他非量子解释的可能性不大。但他表示，这个实验值得一做。“你可以认真考虑验证一下。对我来说，这非常令人兴奋。”

德国慕尼黑数学哲学中心的理论物理学家萨宾·霍森费尔德 (Sabine Hossenfelder) 表示，引力也可能既不是经典现象也不是量子现象，需要全新的理念。

有人说，即使是弦理论，也仍有方法可以检验。“很难找到能保证给出答案的实验，”牛津大学理论物理学家约瑟夫·康隆（Joseph Conlon）说道——尽管偶尔还是有机会的。

例如，通过观察脉动中子星研究极长波长引力辐射的天体物理学家正在寻找弦理论假说产物——宇宙弦——的迹象，这种弦可能延伸至整个宇宙。而弦的本质或许可以在宇宙大爆炸特有的极高能量中得以揭示。宇宙大爆炸也可能产生引力波，只不过这次的波长非常短，可以通过目前正在研发的桌面设备探测到。

大多数已提出的实验至少需要十年才能实现，有些实验甚至可能需要更长时间。但在基础物理学经历了一段漫长的僵局之后，许多人现在感到更有希望。“我认为这是量子引力研究的新时代，”奥本海姆说。“我们现在可以与自然进行这种来回对话，而不仅仅是在黑暗中构建模型。”

自然 644 , 320-323 (2025)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02509-7

更新与修正

• 更正 2025 年 8 月 14 日：本文最初给出了 Sabine Hossenfelder 的错误隶属关系——她是德国慕尼黑数学哲学中心的理论物理学家。