相对论与量子力学是近代物理学的两大支柱

与电磁场的引力效应相比，引力场的量子效应可以说是极小。本质上，引力的耦合常数要比精细结构常数小43个数量级。因此，graviton（引力子）实际上是观测不到的。但是，有可能通过间接的方式来观测引力的量子效应。

近期发表在PRL上的两篇论文给出了两种相近的方案建议，其一来自伦敦大学学院的Sougato Bose及其同事，其一来自牛津大学的Chiara Marletto和Vlatko Vedral。

相对论与量子力学是近代物理学的两大支柱。这两大理论的提出圆满解释了19世纪末、20世纪初的两朵乌云：“迈克尔逊-莫雷实验”和“黑体辐射”。

1905年爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了四篇划时代的论文，首次提出了相对时空观，相对论问世。这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”。1877年玻尔兹曼提出物理系统的能级可以是离散的，1900年普朗克提出电磁能只能以量子化的方式来释放，同时，爱因斯坦受到启发，提出了光量子的概念，圆满解释了光电效应。随后，在20世纪上半叶，许多科学家一起，奠立了量子力学。这些著名科学家包括普朗克，玻尔，海森堡，德布罗意，康普顿，爱因斯坦，薛定谔，波恩，冯·诺伊曼，狄拉克，费米，泡利，劳厄，戴森，玻色，索末菲等等。

经典场论、狭义相对论以及量子力学随后在量子场论的框架下统一起来，广泛地应用于粒子物理和凝聚态物理。历史上量子场论曾被认为是真正的基础理论，但长久以来它一直未能实现对广义相对论的量子化。人类已知的四种基本相互作用中，除去引力，强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都已找到了适合满足特定对称性的量子场论来描述，即量子色动力学、量子电动力学和费米点作用理论。弱作用和电磁相互作用更在形式上实现了统一，即量子规范理论。

Theory of Everything （万有理论）是假定存在的具有总括性、一致性的物理理论框架，能够解释宇宙的所有奥秘。广义相对论和量子场论的总和，可以说是最接近想象中的万有理论。String Theory（弦论）和Loop Quantum Gravity（圈量子引力）是目前被认为最有可能成功的万有理论。得到万有理论的理论路径通常认为可以通过逐级统合来获得：

其中，现在Grand Unified Theories （GUT，大统一理论）的标准模型和所有曾经提出过的各种GUT都属于量子场论，需要重整化群技术来得到合理的结果，这就意味着量子场论只是一个非常好的低能量下的近似，即量子场论是某个更基本理论的一个有效场理论。

广义相对论和量子场论的矛盾在于，在它们各自的领域里做出的理论预测都通过了极端精确的实验验证，但是二者并不兼容，不会同时正确。通常情况下由于两者应用的领域差别很大，所以只要用其中一种理论就够了。但是在空时尺度极小并且质量极大的各种情况下，比如黑洞以及大爆炸之后的宇宙初始阶段，广义相对论和量子力学的不兼容便成了一个显著的问题。

量子引力理论试图通过量子力学原理来描述引力。严格来讲，量子引力理论的目标只是描述引力场的量子行为，不应与整合所有基本相互作用为一个数学框架的目标相混淆。但是对引力的理解的任何进展都将有助于最终获得一个一统的理论，量子引力这个领域本身也会有各种分支和获得一统理论的不同的方式。

量子引力理论的数学描述已经有了一定的进展，但是过去所建议的观测引力量子效应的实验方法，没有一个是目前可行的。与电磁场的引力效应相比，引力场的量子效应可以说是极小。本质上，引力的耦合常数要比精细结构常数小43个数量级。因此，graviton（引力子）实际上是观测不到的。但是，有可能通过间接的方式来观测引力的量子效应。近期发表在PRL上的两篇论文给出了两种相近的方案建议，其一来自伦敦大学学院的Sougato Bose及其同事，其一来自牛津大学的Chiara Marletto和Vlatko Vedral。在他们的理想实验中，两个质点只通过引力发生相互作用，如果这两个质点间产生量子纠缠，也就是说这两个质点处在量子叠加态上，那么产生这一量子效应的原因只能是引力。具体的方法是，把两个质点各自放在相邻的两个相同的干涉仪中，如果引力是量子层次的，那么这两个质点在离开各自的干涉仪之前将已经变成量子纠缠。

G. W. Morley/University of Warwick and APS/Alan Stonebraker

两个团队给出的方案虽然相近但是略有差别。Marletto和Vedral给出的是一个一般性的证明，即，一个系统如果能够使两个量子系统产生量子纠缠，那么这个系统本身一定是量子的。Bose的团队则讨论了一个具体实验的细节：用两个自旋态来产生质点的空间叠加态。

不论是Marletto和Vedral的理想实验还是Bose的理想实验，技术上都充满各种挑战，实现这些实验需要产生并维持相对论级别的质点的量子叠加态，同时需要减少或排除引力之外的相互作用。但是，量子引力的实验观测一旦获得实现，必将为物理学带来巨大突破，并有可能使人类获得统一了所有基本相互作用的终极理论，对宇宙产生全新的理解。