二十世纪物理学建立在三大基石之上，即狭义相对论、广义相对论和量子力学。狭义相对论和量子力学的结合产生量子场论，是目前最成功的理论之一。但是，经过数十年的努力，物理学家们还没有将广义相对论和量子力学成功地结合起来，这个问题应是二十一世纪物理学家面对的最大挑战。 量子力学预言，所有物质形态都满足量子法则，这个原理已被实验检验到小到 10-15 厘米 或 10-16 厘米，但引力不包括在内。也就是说，引力一直只能作为经典场，即无量子涨落的场来处理。如将引力包括，有两个层次需要研究。第一个层次是，将一个系统放在一个经典引力场中，这个系统是否还遵循量子力学，如果该系统在其它一切情形下都满足量子力学？这里我们仅要求该系统满足量子力学的一切原理，而引力场只被看成一个固定的重力背景。在这种情形下似乎很难想象量子原理被破坏，因为如果我们假想用另外一种理论取代量子力学，我们至少有两件事情要做：第一，这个理论必须与量子力学结合，因为粒子在其它一切情形下满足量子力学；第二，在某个极限下我们应得到该系统在引力场中的经典行为，或者得到牛顿理论，或者得到爱因斯坦理论。如果将引力场作为背景场处理，量子力学很容易满足这两个要求，这是一个最经济的选择。将引力包容于量子论的第二个层次是将引力场本身也量子化，也就是要求引力场本身也满足测不准原理，这个理论还没有完全被构造好。目前超弦理论被广泛认为最有希望统一爱因斯坦的引力理论，即广义相对论和量子力学。 从《自然》杂志一文的标题和内容来看，毫无疑问实验是对经典引力场中粒子的量子行为的一个检验。这也许不是第一个检验，因为过去曾有过地球重力场中中子的干涉实验。考虑到我们上面所说的第二个层次的理论是目前的一大难题，而几乎所有在这方面的尝试都假定第一层次的理论是对的，这类实验变得很重要。但这样的实验远没有涉及引力本身的量子性质，所以我们认为在报道中只能说中子的量子态，不能说引力的量子态，或引力的量子化等等。这类实验对弯曲时空中的量子场论是一个间接的支持。量子力学与狭义相对论结合预言每个粒子都有反粒子，量子力学与广义相对论结合预言霍金蒸发和黑洞的宏观熵。这些正是推动发展量子引力理论的重要概念和问题。 实验测到中子在重力场中的不连续态，两个相邻态的高度差约为 10微米，这个结果很容易用量子力学计算出来。现在我们问，如果真的将引力的量子涨落效应计及，会对这样的实验结果有多大的修正？虽然我们还没有很好的理论，但简单的量纲分析告诉我们最大可能的修正是经典引力效应的 10-12 倍， 也就是说，在这样的实验中必须把中子的位置测量准确到 10-15 厘米。这在原理上是不可能的，因为中子本身的大小是 10-13 厘米。所以我们只能期望一种全新的实验来测量量子引力的效应。
( 李淼 中国科学院理论物理研究所)
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