引力、強力、弱力、電磁力，是自然界中已知的四種基本力，它們在不同的尺度上各司其職，支配著宇宙萬物的執行。
一百多年前，愛因斯坦提出的廣義相對論將引力描述為時空的曲率，解釋了許多引力現象。然而，當我們談及黑洞的中心和宇宙大爆炸時，它就失效了。在最微小的尺度，我們所需要的是量子力學。
除了引力之外，其它三種基本力都與量子理論良好地結合在一起，成功地描述著最微小尺度上的宇宙。然而，在過去的80多年裡，包括愛因斯坦在內的一代又一代傑出的物理學家，都在試圖將量子理論與引力統一起來，可至今仍沒有人成功。
一直以來，這樣一個問題一直縈繞在物理學家的心頭：引力是一種量子力嗎？現在，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員提出了一項可能有助於解決這個問題的實驗。
這個實驗利用了量子理論中的兩個最奇怪的性質——疊加和糾纏。
根據疊加原理，一個未受擾動的原子可以被描述為一種波，它具有一定機率可以同時出現在兩個地方。例如，當一個未受干擾的原子穿過一個有兩個狹縫的區域時，它並不是透過其中一個狹縫，而是同時透過兩個狹縫。由於原子是用波來描述的，所以透過一個狹縫的部分會與透過另一個狹縫的部分相互干涉，產生一種明暗相間的條紋圖案。明亮的條紋對應於兩個波的波峰和波谷對齊的區域，因此它們疊加在一起產生了相長干涉；而暗的條紋對應於兩波的波峰和波谷相互抵消的區域，產生了相消干涉。
糾纏是另一種奇異的量子現象，擁有這種特性的兩個粒子能夠以某種方式緊密地聯絡在一起，以至於它們表現得就像一個單一的實體。測量其中一種粒子的特性，能夠自動地迫使另一個粒子具有與其互補的特性，即使這兩個粒子之間相距數個星系之遠。
在量子引力理論中，兩個大質量物體間的相互吸引是透過一種被稱為引力子的假想粒子傳遞的。引力子在引力中所起到的作用，就如同光子在兩個帶電粒子之間傳遞電磁力一樣。因此，如果引力子真的存在，它應該能夠“連線”，或者說“糾纏”兩個大質量物體的性質，就像光子能夠“糾纏”兩個帶電粒子的性質一樣。在新的研究中，研究人員就提出了一個巧妙的測試方法，可用來檢驗兩個大質量物體是否可以由引力產生糾纏。
在新的設計中，實驗將採用困在原子干涉儀中的冷原子雲。干涉儀有兩個臂——一個左臂和一個右臂。根據疊加原理，如果原子雲中的每個原子都處於純粹的、未受干擾的量子態，那麼它可以被描述為是一個同時佔據了兩個臂的波。當波的兩個部分——一部分來自左臂，一部分來自右臂——重新組合時，就能產生一個干涉圖樣。這種干涉圖樣能顯示出由任何力——如引力——所導致的發生在路徑上的變化。
在干涉儀的外面，將一個小小的有質量的物體懸掛形成一個擺，並讓這個物體的初始運動狀態為靜止狀態。可想而知，懸掛的質量和原子會透過引力相互吸引。
設想一下，如果引力子真的存在，引力子間的相互作用也會導致糾纏，那會情況會是什麼樣？
懸掛著的物體將變得與原子的一個特定位置相關——要麼是干涉儀的右臂，要麼是左臂。如此一來，這個物體會開始向左或向右擺動。如果原子位於左邊，擺就會開始向左擺動；如果原子位於右邊，擺就會開始向右擺動。也就是說，引力將“原子在干涉儀中的位置”與“擺開始擺動的方向”糾纏在了一起。
位置的糾纏意味著擺已經有效地對原子的位置進行了測量，將原子精確地定位到干涉儀中的一個特定位置。由於原子不再處於同時處在兩個臂中的疊加狀態，干涉圖樣就會消失或者減弱。
（1）在原子干涉儀中，原子的波函式被分成左臂和右臂，然後左臂和右臂的波會重新結合，產生干涉圖樣；（2）在實驗開始之初，原子的波函式是不受擺的影響的，這意味著原子的兩臂完全相互干涉；（3）如果引力確實導致了原子和擺之間的糾纏，那麼擺就會部分地測量原子的位置，將它集中在兩個臂中的其中一個上；（4）在每經過半個振盪週期後，擺就會回到它的起始點，失去它所創造的引力糾纏的所有記憶，恢復干涉圖樣。| 圖片來源：S. Kelley/NIST
當擺動的物體經過半個週期的振盪，回到起點之時，它就失去了它所創造的引力糾纏的所有“記憶”。這是因為無論擺的擺動方向為何，它都返回到了相同的起始位置——如果最初向右擺動，它就為原子在干涉儀的右臂挑選出一出一個正確的位置；如果最初向左擺動，它就為原子在干涉儀的左臂挑出一個正確的位置。當它回到起始位置時，它為原子在左臂或右臂上選擇一個位置的可能性是相同的。在那一刻，物體和原子之間的糾纏被消除，原子干涉圖樣重新出現。
再過半個週期，當擺再向某一邊擺動時，糾纏就會重新建立，干涉圖樣再次減弱。隨著擺的來回擺動，就會重複出現“干涉圖樣的出現、減弱、出現”的迴圈模式。研究人員認為，干涉的消失和恢復，就是證明糾纏存在的確鑿證據。除了引力糾纏，其他任何現象都難以產生這樣的迴圈。
雖然從實際操作的角度來看，完美地實現這樣的實驗可能需要十年或更長的時間，但初步版本或許能在幾年內就能完成。比如研究人員可以利用各種“捷徑”，來讓觀測變得更加容易。其中最大的捷徑就是——去接受這樣的假設，就像愛因斯坦的廣義相對論一樣，無論你什麼時候開始實驗，都應該得到相同的結果。研究人員指出，這項實驗的成功必須要將所有非引力的量子糾纏考慮在內，這需要仔細的設計和測量才能排除。
#創作團隊：
文：NIST
#參考來源：
https://www.nist.gov/news-events/news/2021/08/exploring-quantum-gravity-whom-pendulum-swings
https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.030330
#圖片來源：
封面圖：Navid saberi / Pixabay
來源：原理
編輯：Norma、yrLewis
