與電磁場的引力效應(yīng)相比，引力場的量子效應(yīng)可以說是極小。本質(zhì)上，引力的耦合常數(shù)要比精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)小43個數(shù)量級。因此，graviton（引力子）實際上是觀測不到的。但是，有可能通過間接的方式來觀測引力的量子效應(yīng)。

近期發(fā)表在PRL上的兩篇論文給出了兩種相近的方案建議，其一來自倫敦大學(xué)學(xué)院的SougatoBose及其同事，其一來自牛津大學(xué)的Chiara Marletto和Vlatko Vedral。

相對論與量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱。這兩大理論的提出圓滿解釋了19世紀(jì)末、20世紀(jì)初的兩朵烏云：“邁克爾遜-莫雷實驗”和“黑體輻射”。

1905年愛因斯坦在德國《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了四篇劃時代的論文，首次提出了相對時空觀，相對論問世。這一年被稱為“愛因斯坦奇跡年”。1877年玻爾茲曼提出物理系統(tǒng)的能級可以是離散的，1900年普朗克提出電磁能只能以量子化的方式來釋放，同時，愛因斯坦受到啟發(fā)，提出了光量子的概念，圓滿解釋了光電效應(yīng)。隨后，在20世紀(jì)上半葉，許多科學(xué)家一起，奠立了量子力學(xué)。這些著名科學(xué)家包括普朗克，玻爾，海森堡，德布羅意，康普頓，愛因斯坦，薛定諤，波恩，馮·諾伊曼，狄拉克，費(fèi)米，泡利，勞厄，戴森，玻色，索末菲等等。

經(jīng)典場論、狹義相對論以及量子力學(xué)隨后在量子場論的框架下統(tǒng)一起來，廣泛地應(yīng)用于粒子物理和凝聚態(tài)物理。歷史上量子場論曾被認(rèn)為是真正的基礎(chǔ)理論，但長久以來它一直未能實現(xiàn)對廣義相對論的量子化。人類已知的四種基本相互作用中，除去引力，強(qiáng)相互作用、電磁相互作用和弱相互作用都已找到了適合滿足特定對稱性的量子場論來描述，即量子色動力學(xué)、量子電動力學(xué)和費(fèi)米點作用理論。弱作用和電磁相互作用更在形式上實現(xiàn)了統(tǒng)一，即量子規(guī)范理論。

Theory of Everything （萬有理論）是假定存在的具有總括性、一致性的物理理論框架，能夠解釋宇宙的所有奧秘。廣義相對論和量子場論的總和，可以說是最接近想象中的萬有理論。String Theory（弦論）和Loop Quantum Gravity（圈量子引力）是目前被認(rèn)為最有可能成功的萬有理論。得到萬有理論的理論路徑通常認(rèn)為可以通過逐級統(tǒng)合來獲得：

其中，現(xiàn)在Grand Unified Theories （GUT，大統(tǒng)一理論）的標(biāo)準(zhǔn)模型和所有曾經(jīng)提出過的各種GUT都屬于量子場論，需要重整化群技術(shù)來得到合理的結(jié)果，這就意味著量子場論只是一個非常好的低能量下的近似，即量子場論是某個更基本理論的一個有效場理論。

廣義相對論和量子場論的矛盾在于，在它們各自的領(lǐng)域里做出的理論預(yù)測都通過了極端精確的實驗驗證，但是二者并不兼容，不會同時正確。通常情況下由于兩者應(yīng)用的領(lǐng)域差別很大，所以只要用其中一種理論就夠了。但是在空時尺度極小并且質(zhì)量極大的各種情況下，比如黑洞以及大爆炸之后的宇宙初始階段，廣義相對論和量子力學(xué)的不兼容便成了一個顯著的問題。

量子引力理論試圖通過量子力學(xué)原理來描述引力。嚴(yán)格來講，量子引力理論的目標(biāo)只是描述引力場的量子行為，不應(yīng)與整合所有基本相互作用為一個數(shù)學(xué)框架的目標(biāo)相混淆。但是對引力的理解的任何進(jìn)展都將有助于最終獲得一個一統(tǒng)的理論，量子引力這個領(lǐng)域本身也會有各種分支和獲得一統(tǒng)理論的不同的方式。

量子引力理論的數(shù)學(xué)描述已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但是過去所建議的觀測引力量子效應(yīng)的實驗方法，沒有一個是目前可行的。與電磁場的引力效應(yīng)相比，引力場的量子效應(yīng)可以說是極小。本質(zhì)上，引力的耦合常數(shù)要比精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)小43個數(shù)量級。因此，graviton（引力子）實際上是觀測不到的。但是，有可能通過間接的方式來觀測引力的量子效應(yīng)。近期發(fā)表在PRL上的兩篇論文給出了兩種相近的方案建議，其一來自倫敦大學(xué)學(xué)院的SougatoBose及其同事，其一來自牛津大學(xué)的Chiara Marletto和Vlatko Vedral。在他們的理想實驗中，兩個質(zhì)點只通過引力發(fā)生相互作用，如果這兩個質(zhì)點間產(chǎn)生量子糾纏，也就是說這兩個質(zhì)點處在量子疊加態(tài)上，那么產(chǎn)生這一量子效應(yīng)的原因只能是引力。具體的方法是，把兩個質(zhì)點各自放在相鄰的兩個相同的干涉儀中，如果引力是量子層次的，那么這兩個質(zhì)點在離開各自的干涉儀之前將已經(jīng)變成量子糾纏。

G. W. Morley/University of Warwick and APS/Alan Stonebraker

兩個團(tuán)隊給出的方案雖然相近但是略有差別。Marletto和Vedral給出的是一個一般性的證明，即，一個系統(tǒng)如果能夠使兩個量子系統(tǒng)產(chǎn)生量子糾纏，那么這個系統(tǒng)本身一定是量子的。Bose的團(tuán)隊則討論了一個具體實驗的細(xì)節(jié)：用兩個自旋態(tài)來產(chǎn)生質(zhì)點的空間疊加態(tài)。

不論是Marletto和Vedral的理想實驗還是Bose的理想實驗，技術(shù)上都充滿各種挑戰(zhàn)，實現(xiàn)這些實驗需要產(chǎn)生并維持相對論級別的質(zhì)點的量子疊加態(tài)，同時需要減少或排除引力之外的相互作用。但是，量子引力的實驗觀測一旦獲得實現(xiàn)，必將為物理學(xué)帶來巨大突破，并有可能使人類獲得統(tǒng)一了所有基本相互作用的終極理論，對宇宙產(chǎn)生全新的理解。