加州理工物理学家谈量子引力以及如何观测它们

　　

　　量子引力是当今物理学中最大的谜团之一。量子引力是指一组试图将量子物理学的微观世界与引力和空间本身的宏观世界统一起来的理论。理论物理学家Kathryn Zurek和实验物理学家Rana Adhikari正在与其他人合作，创建一个小型实验以检测量子引力的特征。

　　在一场由加州理工学院科学交流中心主办的网络研讨会中，这两位科学家解释说，在微观或量子水平上，物质和能量由离散的成分组成；也就是量子化。许多科学家认为，引力也是量子化的：如果把空间本身放大得足够大，应该看到离散的分量。采访中科学家们也讨论了为什么测量量子引力如此困难，以及他们计划如何寻找其难以捉摸的特征。

　　以下内容由访谈编辑而成．

　　问：请引导我们进入量子物理学的世界．

　　Kathryn Zurek（下文简称KZ）：有时我认为量子世界是一幅点画。当你从远处看这幅画时，它只是看起来像一幅普通的画。但是当你开始在越来越小的尺度上放大它时，你开始注意到那里有更多的结构。而且事实上，它不是一个连续的对象，你开始注意到它实际上是由单个点组成的。当你进一步放大时，你可以看到构成这幅画的各个点，量子。这就是我们在粒子物理学中所做的。我们正在放大越来越小的结构，越来越小的规模。

　　量子物理学抽象画

　　问：什么是量子引力？

　　KZ：在过去的一百年里，我们一直在做的是越来越近地放大越来越小的结构。通过这样做，我们学到了很多关于自然界的基本力：电磁力，强力和弱力等。我们用量子力学的语言来理解这些力。但是引力不适合如此理解。根据我们对引力的了解，这实际上并不奇怪。我们预计将不得不继续放大到越来越小的尺度，以便能够开始看到引力的量子效应。

　　Rana Adhikari（下文简称RA）：你可以想想游泳池里的东西是如何移动的。从宏观上讲，我们会看一个水体，上面有波浪。但如果你真的想知道水有多粘或感觉有多光滑，你必须放大并找出水中有什么。这来自粒子的量子力学。但鱼并不真正关心这些。它们只是四处游动，通过感觉认识粘度和温度之类的属性，它们不需要真正了解量子力学。行星在太空中就是这样。它们不需要了解量子力学，只是感受到引力并做应该做的事情。

　　当把简单的微观定律放在一起，你将有数十亿甚至数万亿个这样的东西，它们具有一开始可能没有预料到的特性。我有一种预感，引力也是以同样的方式出现的。

　　问：为什么科学家想要将量子物理学与引力统一起来？

　　RA：我只是想知道发生了什么。如果世界上的一切都是量子，怎么可能有时空或引力不是量子，这非常奇怪的！令人难以置信的是，我可以做一些事情，比如用手在这里制造引力扰动，然后以某种方式通过引力传达给校园里的同事，但这在某种程度上不是一个量子信息通道。那将是宇宙中第一件事不是量子的。所以我觉得它必须是量子的，我想知道它是如何工作的。如果我们能弄清楚量子引力是如何工作的，那将是惊人的。也许我们不知道如何将其用于实际应用，但法拉第发现电磁学时，周围的人也是这样想的。

　　KZ：大约一百年前，科学家绘制了一幅关于所有经典力量如何运作的美丽统一图景。之后出现了量子力学和量子场论，它们现在解释了除引力之外的所有自然力。然而我们知道，这些东西必须协同工作，它们必须结合在一起。因此，如果你是一个物理学家，你总是试图解决这个难题：这些东西是如何组合在一起的？它们如何协同工作？我如何绘制一幅统一的图画来统一地理解所有的自然力量？我们有非常深刻的、很好的理由来解释为什么期望在引力中应该存在量子效应。我们也明白为什么它们如此难以被观测到。

　　

　　问：如何找到量子引力的证据？

　　KZ：我们正在寻找时空结构中的涟漪。你可以把引力和时空想象成一个有弹性的薄单。经典引力是当你把一个质量放在上面，它会导致薄单弯曲。但对于量子引力，一般来说，我们预计这种结构中会出现涟漪。事实上，我们已经看到，用普通的力，用电磁学，在真空中实际上存在波动。空的空间，也就是真空，并没有那么无聊。

　　我们想寻找由于引力的量子性质而导致的时空波动。现在，如果这些影响只是发生在极小的尺度上，我们将永远无法看到它们。在过去的几年里，我一直在思考的是，时空结构中的那些波动是否真的有可能比你天真地想象的要大。时空的结构就像一个池塘，一个非常光滑的水池。我们正在寻找它的水滴。这些小水滴在水面上形成波浪图案。我们正在寻找波浪之间的互相干扰。

　　RA：KZ给出了很好的视觉比喻；我来提供音频上的等效描述。科学家很早以前就探测到了宇宙微波背景，它就像轻微的嘶嘶声一样。但这来自遥远的太空。这嘶嘶声有点不同。这更像是时空本身固有的嘶嘶声。这类似于KZ提到的电磁波动。如果你观察空旷的空间，电场有波动，它有噪音。如果你能测量到这一点，它会告诉你一些关于太空电磁场的信息（这很酷，科学家已经做到了）。我们想做的是测量类似的东西——但是当空间中的引力波动没有来源时，当它不是来自外太空或恒星以及类似的东西时。

　　问：具体的实验会是什么样的？

　　RA：这个实验的形式和设置与LIGO完全相同，但规模只有几米。激光从一侧进入，光线朝两个不同的方向移动，然后它回来，我们测量光经过多长时间才能朝这个方向和那个方向移动。但这是下一步：准备真正不寻常的量子态，并利用它们来深入挖掘可以在地球上测量的东西。我想从来没有人尝试过如此精确的距离测量。如果它有效，这将是有史以来最精确的距离测量。

　　问：实验将在哪里进行？

　　RA：加州理工学院正在校园内建立一个新的量子精密测量中心。你可能会问，我们为什么要在这里这样做？答案是可以在世界任何地方做到这个实验。只是我们在这里有独特的优势。我们这里有KZ，她拥有这个时空应该如何运作的理论知识。我们团队里有人知道如何测量微观尺寸。我们的目标是在量子测量方面进行团队合作。为此，我们需要从事量子信息和测量理论研究的人，以及其他像我们一样进行测量的人。这座新建筑的地下室将有新的Kip Thorne实验室，我们将在那里做所有的实验，KZ也会到实验室来与我们一起工作。

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