幾十年來，理論物理學(xué)中最艱難的挑戰(zhàn)之一是調(diào)和現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱：廣義相對(duì)論以及量子力學(xué)。尋求量子引力理論，一個(gè)能夠無縫整合這兩種描述的框架，已經(jīng)催生了眾多的理論設(shè)想，從弦理論到圈量子引力。然而，最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇論文提出了與傳統(tǒng)方法截然不同的思路。它沒有尋求引力的量子化，而是認(rèn)真地探討了引力保持其基本經(jīng)典性質(zhì)的可能性。至關(guān)重要的是，它提出了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這一假設(shè)的途徑。

背景

將引力和量子力學(xué)統(tǒng)一起來的傳統(tǒng)方法主要集中在引力的量子化上。這種努力源于量子場(chǎng)論在量子框架內(nèi)描述其他三種基本力方面取得的巨大成功。人們一直期望，引力最終也必須被量子化，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界完整而自洽的描述。然而，引力的量子化已被證明極其困難，導(dǎo)致了理論上的復(fù)雜性，并且缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來指導(dǎo)量子引力理論的發(fā)展。

在這種背景下，新論文采取了一種大膽的替代視角。它提出了一個(gè)基本問題：如果引力本質(zhì)上是經(jīng)典的，會(huì)怎么樣？如果引力保持經(jīng)典性，它將如何與量子領(lǐng)域相互作用，又會(huì)產(chǎn)生哪些可觀察到的后果？該論文細(xì)致地研究了這種情況，揭示了一系列令人驚訝且可能可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)。

理論框架

該論文論證的核心論點(diǎn)是，如果引力確實(shí)是經(jīng)典的，那么為了與量子物質(zhì)共存，它必須表現(xiàn)出不可約的漲落。這些漲落不僅僅是熱漲落或統(tǒng)計(jì)漲落，它們是經(jīng)典引力本質(zhì)固有的。論文證明，這些經(jīng)典引力漲落具有深遠(yuǎn)的影響：它們可以介導(dǎo)量子系統(tǒng)之間的經(jīng)典關(guān)聯(lián)，但它們從根本上無法產(chǎn)生量子糾纏。

經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子糾纏之間的這種區(qū)別至關(guān)重要。量子糾纏是一種獨(dú)特的量子現(xiàn)象，其特征是非局域關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)比任何經(jīng)典關(guān)聯(lián)都更強(qiáng)。在引力的背景下，如果引力是量子的，那么預(yù)計(jì)它將通過交換引力子（引力場(chǎng)的假想量子）來介導(dǎo)量子系統(tǒng)之間的量子糾纏。然而，該論文認(rèn)為，即使具有內(nèi)在漲落的經(jīng)典引力也只能誘導(dǎo)經(jīng)典關(guān)聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

在介導(dǎo)糾纏能力上的這種根本差異為區(qū)分經(jīng)典引力和量子引力提供了一條關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)途徑。該論文提出了一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)裝置，以探測(cè)可以作為明確特征信號(hào)的“特征相位響應(yīng)”。 預(yù)計(jì)如果引力是經(jīng)典的，則會(huì)存在這種相位響應(yīng)；如果引力是量子的，則不會(huì)存在這種相位響應(yīng)；并且這種相位響應(yīng)也不同于樸素的退相干機(jī)制產(chǎn)生的相位響應(yīng)。

所提出的實(shí)驗(yàn)利用了量子干涉測(cè)量學(xué)的原理，這是一種用于測(cè)量量子系統(tǒng)中微小相位偏移的高度靈敏技術(shù)。通過精心設(shè)計(jì)一個(gè)涉及量子疊加和引力相互作用的實(shí)驗(yàn)，該論文概述了如何探測(cè)預(yù)測(cè)的特征相位響應(yīng)。 關(guān)鍵的是，作者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)要求在當(dāng)前技術(shù)能力范圍內(nèi)是可實(shí)現(xiàn)的，這使得它成為近期可能實(shí)現(xiàn)的檢驗(yàn)。

意義

這項(xiàng)工作的意義深遠(yuǎn)。如果實(shí)驗(yàn)證實(shí)了預(yù)測(cè)的特征相位響應(yīng)的存在，這將為引力的經(jīng)典性質(zhì)提供有力的證據(jù)。這將需要我們對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的理解發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，擺脫長(zhǎng)期以來認(rèn)為所有基本力都必須被量子化的假設(shè)。這也將為探索引力的本質(zhì)及其與量子世界的相互作用開辟新的理論途徑，可能導(dǎo)致解決量子引力問題的新方法。

反之，如果實(shí)驗(yàn)未能探測(cè)到預(yù)測(cè)的相位響應(yīng)，這將加強(qiáng)量子引力的論據(jù)，并推動(dòng)對(duì)量子引力理論的進(jìn)一步探索。無論實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，該論文的貢獻(xiàn)在于其對(duì)經(jīng)典引力假設(shè)的嚴(yán)謹(jǐn)探索，并提供了具體的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。它挑戰(zhàn)了主流范式，鼓勵(lì)對(duì)基本假設(shè)進(jìn)行批判性重新評(píng)估，并為引力本質(zhì)的實(shí)證研究提供了方向。

結(jié)語

總之，該論文提出了一種引人入勝且可檢驗(yàn)的替代方案，以取代標(biāo)準(zhǔn)的量子引力范式。通過細(xì)致地分析經(jīng)典引力與量子物質(zhì)相互作用的含義，該論文確定了一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別特征——經(jīng)典引力無法介導(dǎo)量子糾纏——并提出了一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)來探測(cè)特征相位響應(yīng)。