通往量子重力的最新進展

面對統合量子力學和廣義相對論的艱鉅挑戰，物理學家找到新的突破點

廣義相對論和量子力學之間的衝突至今仍未解決

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物理學界一直未解的難題，就是將愛因斯坦的廣義相對論和量子力學結合，並建立一個完整的量子重力理論。對於這個問題，Nature Physics中的一篇論文提供了新的解決方案。

量子力學成功地描述原子和電子等小粒子的物理特性；而相對論則為星際間的大尺度交互作用提供了精確的預測。但是在某些情況下，兩個理論的預測卻互相衝突，尤其是在描述重力作用的部分。面對這個困境，澳洲昆士蘭大學的Magdalena Zych和維也納大學的Caslav Brukner提出了一套想法，藉此來比較兩種理論預測的物體行為有何不同。

廣義相對論證明重力是由時空的彎曲造成，而非一種作用力；而量子力學將電磁力等其他作用力描述為物體間交換粒子的行為。這兩種情況的差異引發一個微妙的問題：當物體分別受到電磁力和重力吸引，表現出的物理行為有什麼異同呢？

根據愛因斯坦的說法，物體的慣性質量和重力質量應該要一樣，也就是所謂的等效原理。不過既然相對論和量子力學的差異如此之大，等效原理在量子尺度下想必也不太可靠。

於是Zych和Brukner融合了兩個重要的原理來處理這個問題：相對論中的E=mc^2，還有量子疊加態原理。疊加態原理表示粒子的物理量，像是位置或能量，可能同時處於許多不同狀態。另外E=mc^2則表明物體獲得能量時，質量同時也會增加。

既然不同的能量對應到不同質量，那麼當一個粒子的能量處於多重狀態的疊加，其質量也同時有許多不同的值。這項理論預測讓Zych和Brukner想出了一套實驗方法，藉此能夠整理出重力加速度如何在量子觀點下作用。

Zych舉了一個例子：考慮一個加速度處於疊加狀態的自由落體，他本身的內部狀態和各種可能狀態的位置產生量子相干。這麼一來，物體的許多可能位置在落下過程中逐漸散開，而這違反了等效原理。

目前關於量子重力的可能理論中，大多數都做出了一樣的預測：等效原理的確會被打破。Zych和Brukner提出的實驗可以作為一種檢驗，確認這些可能的理論是否在正確的方向上。

Zych思考這個問題的靈感來自於愛因斯坦的雙胞胎悖論。在雙胞胎悖論中，雙胞胎中一人以高速運動，另一人維持靜止。根據狹義相對論，當兩人回到原地進行比較，會發現運動中的那位衰老的較慢。不過比起這個耳熟能詳的版本，Zych腦中想像的是某種量子相干的雙胞胎。他們處於兩種不同能量狀態的疊加，因此也就存在兩種不同質量的疊加。Zych表示：「能夠在量子領域發現這些前人未曾探索的角落，實在讓人受寵若驚。」

如果想要透過可見光雷射與原子之間的量子作用來驗證這個理論預測，她估計實驗的測量精準度必須達到10的-11次方，才能夠判定等效原理是否真的不再成立。義大利有一團隊已經開始著手進行實驗，不過目前精確度已經達到10的-9次方，而實驗結果仍然符合等效原理的預期。

如果最後愛因斯坦的理論被實驗證明有誤，那麼利用量子系統為基準的精密原子鐘可能就有麻煩了。Zych說：「從古典物理的角度來看，相對論失效只不過代表時鐘不再受到時間膨脹效應影響；但如果從量子力學來談，如果相對論和等效原理不再成立，那麼普遍來說時鐘就失去存在的意義了。」

本文感謝COSMOS授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。

原作者：Phil Dooley 編譯者：林祉均 ，

原文刊登於https://cosmosmagazine.com/physics/a-step-closer-to-a-theory-of-quantum-gravity