
量子力学被誉为人类最成功的科学理论之一,能解释从元素周期表到恒星发光的机制,但对于重力,它至今无法给出完整答案。美国加州理工学院理论物理学家祖瑞克(Kathryn Zurek)指出:「量子力学与重力如何结合,是物理学最大的未解难题之一。」国际权威期刊《自然》(13日)报导,随着技术革新,科学家开始乐观认为,能够在实验室直接测试重力的本质,解开百年谜题。
爱因斯坦的广义相对论,是目前公认的重力理论,将重力视为物质使时空弯曲的结果。然而,广义相对论是「经典理论」,与量子力学的「叠加态」与「不确定性」概念难以融合,因为广义相对论认为粒子是存在精确时空的事物,并沿着明确定义的轨迹移动。
理论与技术发展,使得实验成为可能

过去半个世纪,理论物理学家提出弦论、循环量子重力等模型,试图量子化重力,但缺乏实验证据,甚至不确定该找什么样的证据。近十年来,随着技术进步,部分科学家开始乐观认为,能够够在实验室直接测试重力的本质,维也纳大学实验物理学家阿斯佩尔迈尔(Markus Aspelmeyer)指出,理论与实验能力的发展,使这类测试逐渐可行。
其中一个核心问题是:量子叠加是否会影响重力?例如,一颗粒子同时存在于两个位置,是否会让时空本身进入叠加状态?另一颗粒子会同时受到两种不同的引力吸引,还是只感受到平均值?

解答这个问题的关键,在于「纠缠」,若两个物体仅透过彼此的重力作用就能进入量子纠缠状态,那么重力就必然具有量子性。阿斯佩尔迈尔的实验构想,是将真空中的微小粒子置于不同位置的叠加态,观察另一个仅受其引力影响的粒子,是否与之产生纠缠。
不过要让较大物体进入量子叠加态极为困难,因为在日常尺度下从未观察到此现象。目前科学家已在由数千个原子组成的分子,以及被激光悬浮的微米级玻璃球上,实现部分量子行为。但要让物体既能展现量子特性,又有足够质量产生可测的引力,需要至少22微克(µg )的质量,也就是0.000022公克这在现阶段仍难达成。

另一个由伦敦大学学院理论物理学家波斯(Sougato Bose)提出的计划,是让两颗微小钻石同时沿两条平行路径自由落体,藉由它们在不同距离下的引力差异,检验是否出现纠缠。不过,他坦言每个步骤都极具挑战,可能需数十年才有望完成。

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