重力究竟是不是量子？新實驗可望解百年謎題

隨着技術革新，科學家認爲已經能夠在實驗室直接測試重力的本質，解開百年謎題。（示意圖：shutterstock／達志）

量子力學被譽爲人類最成功的科學理論之一，能解釋從元素週期表到恆星發光的機制，但對於重力，它至今無法給出完整答案。美國加州理工學院理論物理學家祖瑞克（Kathryn Zurek）指出：「量子力學與重力如何結合，是物理學最大的未解難題之一。」國際權威期刊《自然》（13日）報導，隨着技術革新，科學家開始樂觀認爲，能夠在實驗室直接測試重力的本質，解開百年謎題。

愛因斯坦的廣義相對論，是目前公認的重力理論，將重力視爲物質使時空彎曲的結果。然而，廣義相對論是「經典理論」，與量子力學的「疊加態」與「不確定性」概念難以融合，因爲廣義相對論認爲粒子是存在精確時空的事物，並沿着明確定義的軌跡移動。

過去半個世紀，理論物理學家提出弦論、迴圈量子重力等模型，試圖量子化重力，但缺乏實驗證據，甚至不確定該找什麼樣的證據。近十年來，隨着技術進步，部分科學家開始樂觀認爲，能夠夠在實驗室直接測試重力的本質，維也納大學實驗物理學家阿斯佩爾邁爾（Markus Aspelmeyer）指出，理論與實驗能力的發展，使這類測試逐漸可行。

其中一個核心問題是：量子疊加是否會影響重力？例如，一顆粒子同時存在於兩個位置，是否會讓時空本身進入疊加狀態？另一顆粒子會同時受到兩種不同的引力吸引，還是隻感受到平均值？

解答這個問題的關鍵，在於「糾纏」，若兩個物體僅透過彼此的重力作用就能進入量子糾纏狀態，那麼重力就必然具有量子性。阿斯佩爾邁爾的實驗構想，是將真空中的微小粒子置於不同位置的疊加態，觀察另一個僅受其引力影響的粒子，是否與之產生糾纏。

不過要讓較大物體進入量子疊加態極爲困難，因爲在日常尺度下從未觀察到此現象。目前科學家已在由數千個原子組成的分子，以及被雷射懸浮的微米級玻璃球上，實現部分量子行爲。但要讓物體既能展現量子特性，又有足夠質量產生可測的引力，需要至少22微克（µg ）的質量，也就是0.000022公克這在現階段仍難達成。

另一個由倫敦大學學院理論物理學家波斯（Sougato Bose）提出的計劃，是讓兩顆微小鑽石同時沿兩條平行路徑自由落體，藉由它們在不同距離下的引力差異，檢驗是否出現糾纏。不過，他坦言每個步驟都極具挑戰，可能需數十年纔有望完成。