引力是一种正常的力吗？

　　读了本题目，你也许会问：引力，作为我们在日常生活中感受最多的力，以及遍及宇宙万物的力，还能不正常吗?怎样才算正常呢?别急，听我细细说来。

　　我们知道，自然界有四种基本作用力——引力、电磁力、强核力和弱核力。它们对应四种场——引力场、电磁场、强核力场和弱核力场。后三种场都是可量子化的。所谓“可量子化”，就是说可用统治微观世界的量子力学来描述。

　　那么量子力学是怎么描述的呢?当然，我相信你先前对于量子行为的种种怪癖早有耳闻，下面还会提到，这里无须多言。最重要的一个结论是，所有的场都是由粒子传递的：传递电磁力的是光子，传递强核力的是胶子，传递弱核力的是Z玻色子或W玻色子。可是，唯独引力迄今还无法用量子力学来描述。虽然有人猜测，引力可能也是由粒子传递的，但假想中的引力子一直没被发现。所以这样看来，你是不是觉得引力不太正常?

　　引力难以(或不能)量子化的原因

　　引力的不正常，是在物理学家意料之中的，因为他们早就知道，描述引力的广义相对论与量子力学在根本上是冲突的。

　　在广义相对论中，引力被描述为有质量的物体周围的时空弯曲，弯曲程度用曲率来表示。我们知道，相对论中一个革命性的观点是，时间和空间是紧密联系在一起的，这就否定了有绝对统一的时间。譬如，在空间弯曲得愈厉害的地方，时间流逝得愈慢，反之亦然。可是在其他方面相当革命的量子力学中，在时空观上反倒是相当保守的。在量子力学中，时间和空间是完全独立的，它们只为物质的运动提供一个“舞台”，本身并不受物质的影响。所以从基本观念上，量子力学和广义相对论存在着激烈的冲突。这正是引力难以量子化的原因。

　　这种冲突可调和吗?有的人认为是不可调和的，所以引力根本就是无法量子化的。持这种观点的甚至还是物理学界的大佬，一个是为量子电动力学做过巨大贡献的美国物理学家弗里曼·戴森(更多的人大概是从寻找外星人的“戴森球”知道他的名字的)，另一个是与霍金一起发展了黑洞理论，并获得2020年诺贝尔奖的英国物理学家罗杰·彭罗斯。

　　戴森和彭罗斯都认为，引力是不可量子化的，所以我们对宏观宇宙和微观宇宙的描述只能满足各管各。他们的理由是，引力跟其他基本作用力都不一样，其他力都是时空这个“舞台”上的演员，而引力则是“舞台”本身。譬如，光波是在时空中传播的一种电磁波，但引力波则是时空本身的波动，两者不可相提并论。

　　再说，量子力学涉及叠加态的概念(下面我们会详细谈到)。譬如，一个粒子可以同时既在北京，又在海口。粒子的行为虽然不确定，但毕竟“北京”和“海口”这两个空间地址总是确定的。整个量子力学的“大厦”是建立在时空的这种确定性之上的。而现在，假如引力是可量子化的，也就是说时空是可量子化的，那么时空本身也要遵循量子规则而变得不确定。这意味着，同一“点”的空间可以是这个曲率，也可以是那个曲率，这就根本动摇了量子力学的基础。所以彭罗斯认为，恰恰正是引力的不可量子化，确保了量子力学的有效性;要是引力能量子化，这就成了一个悖论，因为这样一来，量子力学的有效性自身也成问题了。

　　引力量子化初步成功后困难重重

　　当然，历史上更多的人则是给广义相对论与量子力学的“争吵”打圆场。想想也是，因为“宏观”“微观”都是相对人而言的，假如统治宏观世界和微观世界的物理规律是完全不同的，那就太奇怪了。这岂不意味着，物理规律是专为人类而设的?这种观点是大多数人无法接受的。

　　1935年，当量子力学和广义相对论都还很年轻的时候，一位名不见经传的苏联物理学家马特维·布朗斯坦，首次做了协调两者的尝试。在引力很弱，即时空曲率很小，近似平坦的情况下，布朗斯坦成功把引力量子化了(可惜他的这一成果最近才被挖掘出来)。可是在引力强的情况下，他却遇到了巨大的困难。他后来写道：“如果不对广义相对论进行全面的修正，似乎很难将我的量子引力理论扩展到引力场强的领域。”

　　他的话是有预见性的。80多年后的今天，物理学家仍在试图理解：假如引力是可以量子化的，那么宏观尺度上的时空曲率是如何从更基本的、量子化的引力图景中涌现出来的。这可以说是当前物理学中最深刻的问题之一。也许，如果有机会，布朗斯坦会为此继续做出自己天才的贡献。但不幸的是，他在1930年代的苏联大清洗中被处决了，年仅31岁。

　　引力的量子特性难以观测

　　理论上困难重重，与此同时，实验上也一筹莫展。引力的量子特性似乎从未在实验中表现出来，因此物理学家也就没有机会看到，布朗斯坦在弱引力场中可行的量子引力理论，在向强引力场过渡时，是如何出错的。

　　问题在于引力太微弱了。相比较而言，强核力、弱核力和电磁力是如此强，以至于它们将物质粒子紧紧地束缚在原子中，并且可以在实验室进行研究;而单个的引力子(如果存在的话)是如此之弱，以至于我们没有希望探测到它。有人估算过，要探测到一个引力子，探测器必须建得如此之大，以至于探测器本身就会瞬间坍塌成一个黑洞。这就是为什么我们只能看到引力在宏观上起作用的原因。

　　不仅如此，宇宙似乎还禁止我们一睹引力的量子特性。因为引力的量子特性可能只会在广义相对论失效的地方才显示出来。什么地方广义相对论会失效呢?目前我们只知道一个地方，那就是黑洞的奇点附近。可是，这样的地方总是隐藏在黑洞里面，我们根本没法进行任何观测。所以，人们普遍认为，以任何方式测量引力场的量子化都是不可想象的。

　　然而，最近英国伦敦大学的苏格托·博斯等人却提出一个可行的实验，不需要检测单个的引力子，即可验证引力是否像其他作用力一样可量子化。如果这个提议可行，那真是一件石破天惊的大事。关于这个实验，我们像写实验报告一样，先介绍其原理，再介绍其步骤。

　　引力是否能让物体发生量子纠缠?

　　提议中的实验将确定两个物体——这里是两粒微钻石——能否通过它们之间的引力而发生量子纠缠。这个实验的原理很简单：由于量子纠缠是一种量子现象，只发生在量子世界，所以，如果能发生量子纠缠，说明引力也是一种量子现象;如果不能，那么说明引力不是一种量子现象，因此，是不能被量子化的。

　　说起量子纠缠，大家并不陌生。在量子纠缠中，两个纠缠的粒子哪怕相距十分遥远，譬如一个在地球上，另一个在银河系的边缘，也不可分割地联系在一起;只要对其中一个操作，另一个也会跟着改变，而且这个改变瞬间即可完成，几乎不需要时间。这当然是与相对论中“任何作用力的传播都不能超过光速”的规定相悖的，所以量子纠缠本身就反映了量子力学和相对论之间的矛盾。不过，由于量子纠缠涉及量子力学中的一些核心概念，在此还需要多说几句。

　　在量子力学中，我们可以用一个波函数来描述一个系统。波函数中包含了这个系统的各种可能状态，这叫叠加态。具体到两个粒子的系统，不论它们是否发生了量子纠缠，波函数里包含了它们各种可能的组合状态。例如，电子的自旋只有两种可能，要么朝上，要么朝下。由两个电子A和B组成的系统，自旋状态就有了4种组合：上上，上下，下上，下下。波函数中就包含了所有这4种情况，每一种状态对应不同的概率。

　　上面说的是一般的情况。但是对于一对发生量子纠缠的电子，如果发生纠缠的条件是“满足总自旋为零”，那么“上上”和“下下”这两种组合就不会出现，或者说概率为零，因为这两种情况下总自旋无法为零。

　　除了叠加态，在量子力学中另一个重要概念是测量。量子力学说，处于叠加态的系统，在测量之前，可以处于任何可能的状态;只有当测量时，才迫使它在各种可能性中选择其中一个状态呈现出来。譬如电子A，在测量之前，它的自旋既可以朝上，也可以朝下。只有当你测量它时，它才被迫以“上”或者“下”的明确结果呈现出来。

　　在这一点上，量子力学中的测量就好比恋爱中的表白。在你未向心上人表白之前，“愿意”和“不愿意”都同时存在。你和她可以共享一段美好的暧昧时光。一旦你向她表白，那就完蛋了，她就不得不结束暧昧，给你一个明确的答复。

　　理解了这一点，我们就可以理解量子纠缠。当A电子与B电子发生量子纠缠，你去测量A电子的自旋，如果测得它的自旋朝上，那么远在银河系边缘的B电子，也会因你对眼前A电子的测量，立刻摆脱不确定状态，选择自旋朝下。这个“响应”不需要时间，而且我们压根儿没对B电子做任何操作。同样道理，如果测得A电子的自旋朝下，那么B电子立刻摆脱不确定状态，选择自旋朝上。在测量A电子时，我们虽然不能确定它会给我们呈现什么结果，但有一点可以肯定：不论A电子的自旋朝什么方向，B电子的自旋朝向必与它相反。这就好比你在表白爱情前向老巫婆询问，心上人到时候会怎么回答你。狡猾的老巫婆说：“我无法告诉你她确切的答复，但我可以肯定地告诉你，她总是心口不一。”这样，你哪怕不能钻到人家的心里，也能知道她心里到底在想什么。

　　量子纠缠一般发生在微观粒子之间，要让宏观物体发生纠缠，难度很大。但在这个实验中，却是要让宏观物体——两颗微钻石——进行量子纠缠，为什么要这样呢?因为这个实验是要查验引力能否让两个物体发生量子纠缠，而微观粒子之间的引力非常小，对其量子纠缠的影响几乎可以忽略不计，所以只有物体质量大到一定程度，其引力才会对量子纠缠发生影响。

　　一个极具挑战性的实验

　　知道了目的和原理，现在让我们来看看这个实验该怎么进行的吧。说实话，这是一个技术难度很大的实验，目前还处于准备阶段。所以底下这些步骤，只是科学家心目中的初步设想。

　　该实验的第一步是，先磨制两颗只有几微克重的微钻石(不妨称一颗为红钻石，另一颗为蓝钻石)，然后设法让每一颗微钻石各自都处于两个位置的量子叠加态，在这种叠加态中，微钻石既可以处于位置左，又可以处于位置右。

　　在具体的实验中，研究人员是在超冷的真空状态下，在磁陷阱中进行的，而且两颗微钻石彼此很接近。当这些操作完成后，红钻石和蓝钻石就并排悬浮在真空中，每一颗都处于左/右的叠加态中。

　　现在，把磁陷阱的磁场撤除，让两颗微钻石在真空中垂直下落。下落过程中，每一颗微钻石都感受到了对方的引力作用。如果引力是一种可量子化的作用力，那么两颗微钻石在下落过程中，就有足够的时间通过引力发生量子纠缠。在没有纠缠的时候，蓝钻石与红钻石的位置本来是不相关的。一旦发生纠缠，产生了互动，两者的位置就相关了。

　　这个实验的巧妙之处在于，我们不需要去探测单个的引力子，就能对引力是否可以被量子化做出判断。当然，技术上的挑战也很大。之前被置于两个位置叠加态的最大物体是一个含有800个原子的分子;而现在，每颗微钻石包含超过1000亿个碳原子。

　　探测引力子存在的信号

　　假如引力是一种正常的作用力，那么按量子力学的观点，引力就是由一种叫“引力子”的微观粒子传递的。所以，我们如果能探测到引力子，反过来也就确证引力是可以量子化的。但前面我们提到，要探测单个引力子几乎是不可能的。

　　可是，为了证明引力子的存在，我们难道非得要去直接探测单个引力子吗?

　　其实，很多时候，间接的办法也可以帮我们达到目的。譬如，19世纪末，当时的技术还无法让物理学家直接观测到单个的分子、原子，爱因斯坦通过分析花粉等颗粒物在液体中的无规则运动(这叫布朗运动)就推断出，布朗运动是颗粒物受到液体分子随机的碰撞所致;这样也就间接证实了分子、原子的存在。

　　最近，美国亚利桑那州立大学的莫利克·帕里克计算出，如果引力子存在，可能会在引力波信号中产生抖动的噪声。当然，这种噪声是无数个引力子的集体行为，就好比布朗运动是液体分子的集体行为一样。而且这种噪声与其他噪声不同。其他来源的噪声，比如一辆卡车驶过一台引力波探测器附近产生的震动噪声，只会影响到一台引力波探测器;而由引力子引起的噪声，会在遍布世界各地的多台引力波探测器上同时出现。

　　不过有点遗憾的是，这种伴随引力波信号的引力子噪声，幅度都比较小，可能仅仅在某些非常特殊的情况下，如黑洞合并的最后阶段或者早期宇宙中时空迅速膨胀时期，噪声幅度才会成倍增大，从而有可能被我们探测到。但聊胜于无，物理学家们巴望有一天这种特殊情况会发生。

　　引力是一种正常的相互作用力吗?总之，现在要下一个“是”或“否”的结论，还为时尚早。哪怕爱因斯坦再世，恐怕也答不上来。因为从爱因斯坦生前拒斥量子力学的态度来看，他显然是不相信引力可量子化的。但从他一生不懈地追求大统一理论的梦想来看，他应该会相信，既然其他的力可以量子化，那引力当然也是可以量子化的。