两种极为成功的理论解释了我们在宇宙中观察到的几乎所有事物，从微小的原子和分子到行星、恒星和星系。量子力学描述物质在非常小的尺度上的行为，而爱因斯坦的引力理论则解释了恒星和黑洞的运动以及宇宙的扩展。尽管这两种理论都取得了巨大的成功，但它们仍然无法完美结合。物理学家们花费了几十年的时间寻找一种“量子引力”理论，希望将它们结合成一种对自然的统一描述。量子引力的挑战 一个中心期待是，引力本身最终应遵循量子力学的规则。这一可能性迅速变得难以想象。量子力学允许一个物体同时在多个位置上去定位，这一效应已经通过原子甚至小块金属多次得到证实。与此同时，爱因斯坦的理论将引力视为空间和时间本身的一个属性——它可以弯曲、扁平，并支持穿越其中的波动，这一点也得到了引力波探测器的确认。因此，许多物理学家假设，围绕量子物体的时空也可能同时占据几个“状态”。但在实验中这实际上会是什么样子呢？来自九州大学、滑铁卢大学和斯德哥尔摩大学的研究人员可能现在已经找到部分答案。他们的研究成果发表在《npj量子信息》上。当量子引力看起来是经典的 研究人员开发了一个理论框架，表明许多被描述为“引力的量子叠加”的情况也可以用非常不同的方式进行解释。在这些情况下，量子粒子可以在穿越普通的引力和时空时保持叠加。在这种描述下，不需要引力具备真正的量子行为。“许多研究人员提出了一些实验，这些实验可能揭示引力的量子性质，”九州大学高级研究院的副教授兼研究主要作者约书亚·福（Joshua Foo）解释说。“我们发现，这些情景中的一些可以从两个同样有效的视角来看待。一种解释将引力描述为处于量子叠加状态，而另一种则描述量子粒子在普通引力场中运动。”团队称这一想法为“时空叠加的相对性”。一种形象化的方法是想象两张地图用不同的投影展示同一景观。这些地图可能看起来不同，但都可以描述相同的基础地形。以类似的方式，研究人员发现一些看似涉及量子引力的情况，可以用经典引力和时空来表达，只要每个粒子的运动用适当的量子状态进行表示。量子引力实验中的一个关键歧义 这些发现并没有表明引力是经典的，也没有排除量子引力。相反，它们揭示了如何解释旨在探测引力的量子特性的实验中存在的重要歧义。看似揭示量子引力的观察在某些情况下也可以用不需要引力以量子方式行为的方式进行解释。“我们的工作并没有告诉我们这样的实验排除了量子引力，”斯德哥尔摩大学的玛格达莱娜·齐赫（Magdalena Zych）说，她是论文的共同作者。“相反，它帮助我们识别哪些实验信号确实需要引力的量子描述，以及哪些可能源于更熟悉的物理学。这一区别对于未来实验的设计至关重要。”寻找真正的量子引力特征 虽然这项工作涉及物理学中一些最基本的问题，但对自然基本法则的研究在历史上往往带来了重大的实际收益。GPS导航、激光和现代电子设备都源于理论量子物理和爱因斯坦引力理论的进展。这一新框架的更直接影响是，它为物理学家提供了更加清晰的未来实验路线图。通过展示哪些观察能够真正区分引力的经典描述和量子描述，该研究帮助缩小了寻找量子引力令人信服证据的范围。“理解引力和量子力学如何结合在一起是物理学中最大挑战之一，”福总结道。“在我们能够测试引力的量子性质之前，我们首先需要知道什么证据将证明我们找到了它。我们的工作有助于澄清这个问题。