这个实验的原理图:一束光被分成两束(底部)，然后重新组合，产生干涉图样(顶部)。信贷:Anupam Mazumdar

去年，格罗宁根大学(University of Groningen)的物理学家阿努帕姆·马祖达尔(Anupam Mazumdar)和英国的同事们提出了一个实验，该实验可以最终证明引力是否是一种量子现象。这个实验将专注于观察两个相对较大的、纠缠在自由落体中的量子系统。在6月4日发表在《物理研究评论》上的一篇新文章中，科学家们更详细地描述了如何减少两种噪音。他们认为量子干涉可以用于制造一种敏感仪器，这种仪器可以探测从蝴蝶到窃贼和黑洞等各种物体的运动。

这项实验的核心是一颗极小的钻石，只有几纳米大小，其中一个碳原子被一个氮原子取代。根据量子物理学，这个原子中的额外电子要么会吸收，要么不会吸收激光的光子能量。

钻石

能量的吸收会改变电子的自旋值，一个可以上升或下降的磁矩。Mazumdar解释说:“就像Schrödinger的猫一样，它既是死的又是活的，这个电子的自旋吸收和不吸收光子能量，所以它的自旋既上又下。”这一过程导致了整个钻石的量子叠加。通过施加磁场，可以将两个量子态分离。当这些量子态通过关闭磁场重新聚集在一起时，它们就会产生干涉图样。

这颗钻石小到足以维持这种叠加，但它也大到足以受到地心引力的影响。当其中两个钻石在自由落体条件下相邻放置时，它们只通过它们之间的重力相互作用。这个实验最初是为了测试引力本身是否是一种量子现象。简单地说，由于纠缠是一种量子现象，两个只通过引力相互作用的物体的纠缠可以证明引力是一种量子现象。

碰撞

任何移动的质量都会对这个非常敏感的量子系统产生影响。在他们最新的论文中，Mazumdar和他的同事描述了如何减少这些干扰。然而，很明显，这个系统也可以用来检测运动质量。第一个噪声源是自由落体时气体与实验舱的碰撞。甚至光子的冲击也能产生扰动。Mazumdar解释说:“我们的计算表明，将实验胶囊放置在一个更大的容器中，可以创造一个可控的环境，从而将这些影响降到最低。”

在这样一个外部容器内，这种噪音在10-6帕斯卡的压力下是微不足道的，即使在室温下也是如此。对实验舱内条件的要求更加严格。目前，科学家们估计在1开尔文左右的温度下，需要10-15帕斯卡的压力。考虑到目前的技术状况，这还不可行，但Mazumdar预计这很可能在20年内实现。

空间碎片

第二个噪声源是实验地点附近的移动物体，即使像蝴蝶那么小。计算表明，这种噪声也可以相对容易地通过限制进入实验地点。人员应与实验场地保持至少2米的距离，车辆应与实验场地保持至少10米的距离。在距离试验场60米以上的地方飞过的飞机不会构成问题。所有这些要求都可以很容易地完成。

马祖达尔说，一旦实验启动并运行，它的范围将超出量子引力的研究。“你可以把它放在宇宙飞船里，让它一直处于自由落体状态。然后，你可以用它来探测进入的太空碎片。通过使用几个系统，甚至有可能得到碎片的轨迹。”另一种选择是将这样一个系统置于柯伊伯带，在那里它可以感知太阳系在空间中的运动。Mazumdar补充说:“而且它可以探测到任何附近的黑洞。”

在地球上，量子系统将能够探测构造运动，也许还能提供地震的早期预警。当然，量子系统对附近发生的任何运动都很敏感，这将使它成为一个理想的运动传感器和防盗报警器，虽然有些复杂。但就目前而言，未来几十年的焦点是确定引力是否是一种量子现象。