我我在20世纪90年代中期，我研究了数学。我真的不确定我想要与我的生活做些什么，但我被数学的力量敬畏，以描述自然界。在课堂上的课堂和谎言代数之后，我参加了数学系提供的研讨会系列关于基本物理学中最大的问题：如何量化重力，从而使所有大自然伞下的所有力量带来。研讨会专注于宾夕法尼亚州立大学的Abhay Ashtekar开创的新方法。我以前遇到过的研究，我带来了问题所解决的印象;这个消息尚未传播。
这似乎是纯粹思想的明显胜利。数学一致性的要求也导致了，例如，希格斯玻色子的发现。如果没有希格斯玻色子，粒子物理的标准模型将不再适用于能量超过1万亿电子伏的粒子，而这正好在大型强子对撞机的范围内。概率将不再增加到100%，也不再具有数学意义。因此，一旦能量被交叉，新的东西就会出现。希格斯玻色子是物理学家们能想到的最简单的可能性——当然，他们找到了。
在20S和'30S中，爱因斯坦特殊的相对论和原始版本的量子力学理论之间的数学不一致产生了量子场理论，标准模型以后基于。特殊相对论与牛顿重力之间的数学不一致引起了相对论的一般性理论，我们的最先进的重力论。现在物理学家留下了标准模型与一般相对性之间的不一致。当然，我们希望其分辨率以量子的重心形式，作为早期案件的启示。
最有希望的想法来自一个完全意想不到的方向。
然而，随着时间的流逝，我了解到其他使用其他方法的研究人员也相信他们即将解决这个问题。弦理论、环量子引力、因果动态三角测量、渐近安全引力、因果集:这些研究项目的实践者同样相信，他们可以只用数学的力量破解自然。他们的不同并不是因为一些人在数学推导中犯了错误，而是因为他们从不同的假设出发。数学是进行推理的工具，但没有任何数学结论比它的假设更好。逻辑不足以决定物理理论。要找出哪一种理论描述了自然，唯一的方法就是实验测试。
但研究不同方法的人很少互相交谈;就算他们同意了，也不会同意的。他们为什么要这么做?在缺乏实验证据的情况下，他们没有理由同意。因此，数学已经堆积起来，成千上万的文章已经被写出来，数百个会议已经召开。但没有一种方法能给出明确的解决方案。几十年过去了，没有取得任何成功，对量子引力的研究开始受到质疑。
P矛盾的是，在90年代，几乎没有人在研究如何找到量子引力的观测证据;这被认为是不可能的。量子引力的影响是极其微弱的。物理学家估计了探测到假定的引力粒子(引力子)的可能性，并发现，即使把木星大小的探测器放在中子星的轨道上，可能性也很小。1
但是，直接探测引力子是找到量子引力证据的唯一方法吗?这是一个让我无法离开的问题。到了90年代末，我转而学习物理。大多数研究量子引力的物理学家仍然相信，他们的数学最终会指明方向。我没有那种信任。但我也不悲观地认为量子引力在实验上是不可企及的。相反，我谨慎地希望，在我的有生之年，我们将成功地通过实验证明引力是量子化的。
T我们这些寻找量子引力实验证据的人今天面临着一个独特的研究问题:我们既没有理论也没有数据!但即使没有一个被普遍接受的量子引力理论，我们也可以研究量子引力的一般性质，也就是在各种候选理论中发现的那些性质。
例如，一些理论认为时空是离散的。如果是这样，它可能有缺陷，就像晶体有缺陷一样，这可能会使光线偏离它的路径，使遥远类星体的图像变得模糊。一些理论认为，时空是一种基质或流体，在这种情况下，即使是真空也可能具有物质属性，如粘性(像蜂蜜一样自己拖拽)或分散性(导致光的颜色分离)。一些理论预测了广义相对论中所尊重的对称性的违背;还有人认为时空的量子涨落会干扰敏感的量子系统。我们可以搜索所有这些。
如果这种情况发生在整个地球上，一个苹果从树上掉下来就会同时朝两个不同的方向掉。
你已经知道我们还没有找到任何东西 - 否则你已经听说过它。但甚至没有结果是理论发展的宝贵指南。他们教导我们一些想法 - 例如，即时表现出常规格子 - 与观察结果不相容。
当然，有一个真正的信号会更令人兴奋。近年来，我们已经能够找到几个新的机会来实现这一目标。以原始引力波为例。早期宇宙中的这些小时空波动应该会在宇宙微波背景辐射上留下明显的印记。2014年，BICEP2合作团队声称测量了这个印记，尽管这一说法被证明是错误的，但这并不意味着海浪不在那里。这只意味着要花更大力气才能找到他们。如果我们真的探测到它们，它们应该有量子属性，这将指导我们的模型构建。亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)和麻省理工学院的弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)认为，对原始引力波的探测将证明引力必须是量子化的。2他们的论点过于简单，但是文森特·文宁3.和Eugenio Bianchi.4独立地着手寻找一种能够区分量子涨落和非量子涨落的微波背景数据分析方法。
然后有黑洞。黑洞的物理是量子重力的主要研究课题。长期以来，共识是量子 - 重力效应只靠近黑洞的中心，隐藏在标记孔的边界的地平线后面，因此来自外面的不可估量。然而，在过去的几年中，这一共识已经被震动了。例如，一个理论论点表明，黑洞被“防火墙” - 一个物质表面包围。虽然我和其他人质疑这个论点，5这并不是认为量子引力效应会在视界出现的唯一原因。
如果是这样，那么观察黑洞就可以揭示量子引力的信息。长岛大学(Long Island University)的迈克尔·卡维克(Michael Kavic)提议寻找由一颗围绕黑洞运行的中子星组成的双星系统。中子星发射无线电波，如果它的光束划破黑洞的视界，我们观察到的脉冲就会受到黑洞结构的影响。6在另一种方法中，周界研究所的Niayesh Afshordi研究了黑洞合并产生的引力波。量子效应可能会在新合并的黑洞进入最终形状时显现出来。7
B但最有希望的想法来自一个完全意想不到的方向。如果引力场可以量子化，那么它应该表现出典型的量子行为，比如叠加，即一个系统在同一时间处于不同的状态。
以量子行为的主要例子:双缝实验为例。如果你向一个被切了两条缝的屏幕发射一束电子束，电子将形成一种独特的波型。为了形成这种模式，每个电子必须同时通过两个狭缝——这两条路径是叠加的。但是电子有质量，会影响引力场。如果电子处于量子叠加态，那么它的场也应该处于量子叠加态。这是一个非常奇怪的想法。如果同样的事情发生在整个地球上，从树上掉下来的苹果会经历两个不同的重力场，同时朝两个不同的方向坠落。这标志着量子力学和广义相对论的不相容;场的叠加本质上就是量子引力。
到目前为止，还没有人看到过这种效应，因为单个电子的引力场太弱了，无法测量。然而，近年来，各种实验小组已经创造出了更大质量物体的叠加。目前的技术水平大约是一纳克。马库斯·阿斯佩尔迈耶(Markus Aspelmeyer)和他在维也纳的团队已经开始了一项雄心勃勃的计划，测量小至一毫克质量的万有引力。8我们能够测量量子物体的引力场的日子不远了。
采取类似的方法，女王大学贝尔法斯特和他的合作者的Mauro Patertro Or试图恰好识别到哪个签名将从非量化的签名区分量化的重力场。9他们的方法专注于典型的量子属性——纠缠，在纠缠中，不同物体的属性是相互关联的。考虑两个相互作用的物体。它们之间的相关性将取决于场是否量子化。测量这些相关性，你就能知道场的量子化。
T帽子科学需要经验验证是旧消息，但许多古代哲学家的梦想，内省足以揭开的内省自然奥秘，遗憾的是，在努力研究量子重力的理论家中。最终，无论多么复杂，精神体操，始终归结为假设选择的美学或哲学偏好。量子重力的大部分文献致力于在堆积的数学下埋葬这些偏好。
我第一次听到量子重力后二十年，该领域仍然由依赖数学稠度的人占主导地位。但是，像我一样，研究实验测试量子重力的可能性变得更加众多。并且数学方法的失败更明显，更清晰的是，不管难度如何，都可以寻找实验证据。第一步将简单地证明是量化的重力。然后我们可以开始探讨全系列的重力现象。在这样做时，我们会促进从数学到物理的量子重力。
物理学可以变成工程学。与我的许多同事相反，我认为理解如何量子化引力将会有实际用途。这样的理论不仅将增进我们对空间和时间的理解，而且还将增进我们对一般量子系统的理解。这将是一段漫长的旅程。但是，从亚里士多德的四种元素到今天的四种力量，我们花了两千年的时间。我们要做长远打算。
Sabine Hossenfelder是法兰克福高等研究院的研究员。她的博客地址是backreaction.blogspot.com，推文名为@skdh
参考文献
1.Rothman, T. & Boughn, S.，能探测到引力子吗?物理学的基础36., 1801 - 1825(2006)。
2.用宇宙学建立引力的量子化。物理评论D89047501(2014)。
3.宇宙膨胀的量子不和谐:我们能证明cmb各向异性是量子力学的起源吗?物理评论D93，023505（2016）。
4.张志强，张志强，张志强，等。原始宇宙的纠缠时间。国际现代物理学杂志D24., 1544006(2015)。
5.解黑洞真空。物理评论D91044015(2015)。
6.艾斯蒂斯，卡维克，李柏特，&西蒙内蒂，量子引力与脉冲星-黑洞双星。arXiv: 1607.00018(2016)。
7.来自深渊的回声:黑洞视界普朗克尺度结构的证据。arXiv: 1612.00266(2016)。
8.Schmöle，J.，Dragrosits，M.，Hepach，H.，＆Aspelmeyer，M.一种用于测量毫克群众的重力的原理原则原则实验。古典和量子重力33.125031(2016)。
9.揭示未测量物体的非古典性。arXiv: 1607.01140(2016)。
本文最初发表于2017年2月的《权力》杂志。
