引力子真的存在吗？新实验利用单摆探索量子引力与纠缠

自然界的四个基本力：电磁力、弱力、强力和引力，前三者成功地与量子理论相结合，但是引力与量子理论的结合特别困难。尽管爱因斯坦的广义相对论把引力描述为时空的曲率，解释了大量的引力现象，但它在最微小的体积内就失效了。在过去的80年里，一个又一个的专家，包括爱因斯坦，都未能将量子理论与引力统一起来。那么，引力真的是一种量子力吗？

美国国家标准与技术研究所的研究人员现在提出了一项可能有助于解决这个问题的实验。这个实验利用了量子理论中两个最奇怪的特性。

第一个特性是叠加原理，该原理认为，一个未受扰动的原子粒子可以被描述为一种波，具有同时出现在两个地方的某种可能性。例如，一个未受干扰的原子穿过一个有两个狭缝的区域时，不是通过其中一个狭缝，而是同时通过两个狭缝。

第二个奇怪的量子特性被称为纠缠，两个粒子可以如此紧密地联系在一起，以至于它们的行为像一个单一的实体。测量其中一种粒子的特性会自动迫使另一种粒子具有互补的特性，即使这两种粒子位于星系之间。

在量子引力理论中，两个大质量物体之间的万有引力通过一个假设的亚原子粒子——引力子进行交流，就像两个带电粒子之间的电磁相互作用通过光子进行交流一样。因此，如果引力子真的存在，它应该具有连接或纠缠两个大质量物体的特性，就像光子一样。

该实验将使用被困在原子干涉仪内的冷原子云。干涉仪有两个臂——左臂和右臂。根据叠加原理，如果云中的每个原子都处于纯净的、不受干扰的量子态，则可以描述为同时占据双臂的波。当波的两个部分重新组合时，它们将产生一种干涉图案，显示由于引力等作用力而导致的路径变化。

在干涉仪外面引入一个小的、最初静止的物体，像一个单摆一样悬挂着。悬挂的质量和内部的原子受到引力的相互吸引，如果引力也会产生纠缠，那会是什么样子？

悬挂的质量将与原子的特定位置相关，要么是干涉仪的右臂，要么是左臂。结果，物体会开始向左或向右摆动。如果原子位于左边，单摆就会开始向左摆动；如果原子位于右边，单摆就会开始向右边摆动。引力使原子在干涉仪中的位置与单摆开始摆动的方向纠缠在一起。位置纠缠意味着摆已经有效地测量了原子的位置，将它精确地定位到干涉仪中的一个特定位置。由于原子不再同时处于两臂的叠加状态，干涉图样就会消失或减小。

当摆回到开始的位置时，摆同样可能会为原子在左臂或右臂上找到一个位置。在那一刻，质量和原子之间的纠缠被消除，原子干涉图样重新出现。科学家们说，这种干扰的崩溃和恢复将是纠缠的“确凿证据”。

虽然理想的实验可能需要十年或更长的时间才能建成，但初步版本可能在几年内就能完成。科学家指出，必须考虑量子纠缠的非引力源，这需要仔细的设计和测量来排除。