量子和引力理论（我们最终将如何结束测试量子引力）

如果你视力很好，那么你能见到的最小物体大概只有0.1毫米，即人头发的宽度。通过科技，我们能看到的最小的物体大约是10-19米，即LHC（大型强子对撞机）中碰撞的质子波长。从最原始的显微镜到现在的LHC，我们大约用了400余年的时间——在四个世纪中提高了15个数量级。

据估计，量子的引力效应与大约在10-35米的距离下存在相关，即普朗克长度。这是另一16数量级，或者说另一个对于对撞机而言的1016因数。它让你会怀疑这是否可能存在，或者是否我们所有去寻找量子引力理论的努力都将永远作为无用的猜测。

作者很乐观，她认为，在科学的发展历史中充满了各种现在受到大众认可，却被在过去人们以为完全不可能发生的事情：测量太阳光线的偏转度，比空气要重的飞行器，测量引力波。因此，我认为用实验测量出量子引力是可以做到的。也许要花上几十年，也许要花上几个世纪——但只要我们不断努力，总有一天我们会测量出量子引力效应。我相信我们不会直接跨越接下来的16个数量级来测量，而是间接探测低能量。

虽然事出必有因，如果我们不去考虑量子引力效应是如何出现、它会出现在哪里，那我们永远都无法找到他们。但让我更加乐观的是，人们对量子引力现象学的兴趣正在稳步增长，量子引力现象学的这一研究领域致力于研究如何找到量子引力效应的最佳证据。

由于没有一个公认的量子引力理论，现有寻找可观测现找的努力集中在寻找方法来测试该理论的一般特征，即寻找在量子引力的几种不同方法中已经发现的特性。例如，时空的量子涨落，或“最小长度”的存在，这会施行一个基本的分辨限度。这种效应可用数学模型进行量化，并估计出效应的强度，最终让我们判断哪些实验最有希望。

电子通过双缝引力场

测试量子引力对于实验来说一直被认为是遥不可及的，因为我们需要通过一个银河系大小的对撞机才能充分加速质子，让他产生可测量数量的引力子（引力场中的量子），或者说我们需要一个木星大小的检测器来测量其他地方产生的引力子。这不是不可能，但是显然不会在我们的有生之年发生。

然而，这些争论仅仅涉及到对引力子的直接探测，但这并不是量子引力效应的唯一表现形式。量子引力还会以其他各种可观测的结果呈现出来，其中一些已经被发现，而另一些则是我们计划要去探索的。到目前为止，我们只有负面的结果。但即使是负面的结果也是有价值的，因为这些结果告诉我们在那些广受欢迎的理论中所不具有的性质。

比如说，量子引力的一个可测试结果可能违反了狭义相对论和广义相对论中的对称性基本原理，即洛伦兹不变性。有趣的是，结果表明，即便创造了一个短到几乎不可测量的距离下，对于洛伦兹不变性的违反程度并不是不重要的。反而，对于对称性的违反扩散到了许多粒子反应可及的能量中，而且这些能够以极高的准确性被测量。还没有发现违反洛伦兹不变性的证据。这可能听起来不多，但要知道量子引力必须以令人难以置信的精度来推崇这种对称性，这对理论发展是非常有用的指导。

其他可测量的结果可能时量子引力中的弱场极限。在早期的宇宙中，时空中的量子涨落会带来物质温度的变化。这种温度的涨落在今天仍能被观测到，能够在宇宙微波（CMB）中留下印记。这种“原始引力波”在CMB上的印记还未被测量过（LIGO对此并不敏感），但是他们预计，目前的测量精度在1 、2个数量级之间。目前，许多实验合作正在寻找这个信号，包括BICEP, POLARBEAR和Planck。 这就提出了一个问题:是否有可能从原始引力波中推断出，引力一定是在早期宇宙中量子化的。(Ethan Siegel认为，是的。)回答这个问题是现今量子引力现象学研究中最活跃的领域之一。

另一种测试量子引力弱场极限的方法是尝试将大型物体带入量子叠加态：即比基本粒子重得多的物体。这会让引力场更强，并可能提供探测其量子行为的机会。迄今为止，被带入叠加态的最重物体的重量约为1纳克，这仍然比测量引力场要小几个数量级。但是维也纳的一个研究小组提出了一个实验方案，该方案将使我们能以更精确的方式测量重力场。我们正慢慢接近量子引力的范围。

请注意，这是一个不同于天体物理学术语的用法。在天体物理学中，“强引力”有时用来指代完全不同的东西，它指的是与牛顿引力有很大偏差的东西，例如，在黑洞的视界附近。但如果与强量子引力效应所需的普朗克曲率相比，这仍然非常弱。

这些强大的天体物理场可能会产生LIGO能够探测到的引力波，但不会产生量子引力的信号。

强量子引力效应也可能在宇宙微波背景中留下印记(与弱场效应不同)，特别是在波动间的相关性类型上。弦宇宙学和环量子宇宙学的各种模型已经探索了观测结果，随后提出的实验比如EUCLID、PRISM以及WFIRST等可能会发现第一个线索。此外，即将进行的测试21厘米氢吸收的实验可能也会发掘出量子引力的相关信息。

基于一项理论发现，出现了一种更具推测性的观点：物质的引力坍缩不一定会形成黑洞，但整个系统可能会逃脱视界知中。如果是这样的话，那么剩下的那个物体将给我们提供一个具有量子引力效应的开放领域。我们目前还不清楚需要发现什么信号才能找到这样一个物体，但如果我们能与物理宇宙开展合作，这将会是一个很有前途的研究方向，因为它可以让我们直接获得强大的时空曲率。

还有很多其他的想法。例如，大量的模型处理了量子引力效应赋予时空媒质属性的可能性。这可能导致光的分散(颜色分散)、双折射(极化分散)、退相干(防止干扰)或其他真空区域的不透明性。更有推测性的想法包括克Craig Hogan对全息噪声的探索，Bekenstein寻找普朗克长度离散性的桌面实验，或者在氚衰变中寻找最小长度的证据。发现的一些普遍性质是宇宙早期的几何相变或维数缩减，但我们仍需要去找到好的实验方法。

毫无疑问，我们还有许多工作要做。但是当涉及到量子引力时，我们不再仅仅停留在理论领域。有很多途径可以找到引力确实是量子力的第一个实验信号。相关的搜寻工作已经开始了。

作者: Sabine

FY: welkin

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