数学不会解决量子引力的问题，只有实验才能解决
在1990年代中期，我学习了数学。 我不确定自己在生活中想做什么，但是我对数学描述自然世界的能力感到震惊。 在上完微分几何和李代数课程之后，我参加了数学系的一系列研讨会，讨论了基础物理学的最大问题：在一个理论框架下，重力的量化和所有自然力的统一。 讲习班是围绕宾夕法尼亚大学Abei Ashtekar开发的一种新方法进行的。 我以前从未进行过此项研究，并给人留下了一个完整的印象，即问题已经解决，而且还没人知道。
所有这些似乎是头脑清晰的纯粹胜利。 数学连通性的要求导致了例如希格斯玻色子的发现。 没有它，与能量超过1 TeV碰撞的粒子的标准模型将停止工作-大型强子对撞机可提供此类能量。 概率之和不会达到100％，并且会失去其数学含义。 因此，当跨越这个能量边界时，应该会出现一些新事物。 希格斯是物理学家提出的最简单的可能性，他们自然而然地发现了它。
一颗快速移动的中子星PSR B1509-58居住在该星云中。 中子星在无线电范围内发射规则脉冲，它们可用于搜索量子引力效应。在1920年代和1930年代，爱因斯坦的狭义相对论与量子力学的原始版本之间的数学差异导致了量子场论的出现，而标准模型则以此为基础。 狭义相对论与牛顿引力之间的数学差异导致了广义相对论的出现-我们最现代的引力论。 现在，物理学家在标准模型和GR之间存在差异。 当然，我们希望以引力量子理论的形式解决该问题将与之前的案例一样，是对覆盖层的破坏。
但是随着时间的流逝，我了解到其他使用其他方法的研究人员，并确信他们也接近解决问题的方法。 弦论，循环量子引力，因果动态三角剖分，渐近安全引力，因果集……实践这些方法的科学家们也相信，仅使用数学方法就可以破译自然。 它们之所以不同，并不是因为其中一个在数学结论上犯了错误，而是因为它们是从不同的前提出发的。 需要数学来执行一系列逻辑结论，但是没有一个数学结论会比其前提更好。 逻辑还不足以在物理理论之间进行选择。 找出哪种理论描述自然的唯一方法是进行实验测试。
但是从事不同方法研究的物理学家很少互相交流，如果交流，他们就永远不会达成共识。 又为什么呢？ 在缺乏实验证据的情况下，他们没有理由同意。 积累了数学知识，创作了数以万计的文章，召开了数百次会议。 而且，没有任何一种方法可以产生明确的解决方案。 随着数十年的失败，对量子引力的寻求越来越引起人们的怀疑。
奇怪，但在90年代，几乎没有人试图找到可观察到的量子引力证据。 人们认为这是不可能的。 量子引力的作用极弱。 物理学家估计了探测到所谓的引力子-引力子-的可能性，并发现即使使用探测器大小如木星绕中子星运行的探测器，引力的可能性也很小。 [Rothman，T.＆Boughn，S.，可以检测到引力子吗？ 物理学基础36，1801-1825（2006）]
但是，是否真的有必要直接检测引子以找到量子引力的证据？ 这个问题没有让我走。 在90年代末，我转而从事物理研究。 大多数从事量子引力工作的物理学家仍然相信，他们的数学将为他们打开成功之路。 我不相信。 但是我对量子引力的实验不可及性不感到悲观。 相反，我谨慎地希望，即使在我一生中，我们也能在实验中成功地证明重力的量化。
我们这些正在寻找量子引力实验证据的人面临着一个独特的研究问题：我们既没有理论也没有数据！ 但是，即使在没有普遍接受的量子引力理论的情况下，我们也可以研究其预期的基本性质，并在各种候选理论中找到它们。
例如，一些理论表明时空的离散性。 在这种情况下，它可能具有缺陷，例如晶体，能够混淆光线并模糊远距离类星体的图像。 一些理论认为，时空是某种形式的碱或液体，在这种情况下，即使在真空下也可以发现材料的特性，例如粘度或分散性。 一些理论预言了对称性的破裂，在广义相对论中得到了尊重。 其他人则认为时空中的量子波动会干扰敏感的量子系统。 所有这些都可以寻求。
您已经知道我们什么都没找到-否则您会听说的。 但是，即使缺乏结果也有助于发展理论。 这样的情况告诉我们，一些想法（例如，时空可以是周期性晶格）与观察结果完全不兼容。
当然，最好能得到真正的确认。 近年来，我们已经找到了一些实现目标的新机会。 取主引力波。 宇宙早期时空的这些细微波动应该在遗迹辐射上留下独特的烙印。 2014年，BICEP2联合小组宣布了对该指纹的测量，尽管它们是错误的，但这并不意味着不存在这种波浪。 仅仅找到他们将需要更多的努力。 而且，如果我们发现它们，它们的量子性质将有助于我们开发模型。 亚利桑那大学的劳伦斯·克劳斯（Lawrence Kraus）和麻省理工学院的弗兰克·威尔切克（Frank Wilchek）认为，检测一次引力波将表明应该对重力进行量化[Krauss，L.＆Wilczek，F.，使用宇宙论建立引力的量化。 物理评论D 89，047501（2014）。 他们的论点过于简化，但是Vincent Vennin [Martin，J.＆Vennin，V.量子膨胀与宇宙膨胀不符：我们能否证明cmb各向异性是量子力学起源的？ 物理评论D 93，023505（2016）]和Eugene Bianchi [Bianchi，E.，Hackl，L.＆Yokomizo，N.原始宇宙中的纠缠时间。 国际现代物理学D 24，1544006（2015）]可以独立分析CMB数据，从而可以区分量子和非量子波动。
南极的BICEP2望远镜仍然有黑洞。 黑洞物理学是量子引力研究的主要主题之一。 长期以来，人们认为，量子引力效应只有在靠近黑洞的中心时才会明显，黑洞的中心隐藏在表示其边界的地平线后面，因此从外部是无法测量的。 但是近年来，这种信念已经动摇了。 例如，根据一种理论假设，黑洞被
防火墙包围-破坏掉落在其中的物质的物质表面。 尽管我和其他一些学者对此论点提出了质疑[Hossenfelder，S.解开黑洞真空。 物理评论D 91，044015（2015）]，这并不是假设量子引力效应可能出现在地平线上的唯一原因。
如果它们出现了，那么对黑洞的研究可能会向我们揭示有关量子引力的信息。 长岛大学的迈克尔·卡维奇（Michael Kavic）建议寻找由绕黑洞运行的中子星组成的双星系统。 中子星发出无线电波，如果该射线撞击黑洞视界，则观测到的动量将因该洞的结构而改变[Estes，J.，Kavic，M.，Lippert，M.，＆Simonetti，JH，用脉冲星在量子引力上发光-黑洞二进制文件。 arXiv：1607.00018（2016）]。 周边研究所的Niayesh Afshordi的另一种方法是研究黑洞合并产生的引力波。 当新形成的黑洞最终形成形状时，会发生量子效应[Abedi，J.，Dykaar，H.和Afshordi，N。深渊回声：黑洞地平线上普朗克尺度结构的证据。 arXiv：1612.00266（2016）]。
但是最有前途的想法来自一个意想不到的角度。 如果可以量化引力场，则它必须具有某些量子特征，例如其中系统同时处于不同状态的叠加。
让我们举一个量子行为的基本例子：一个有两个狭缝的实验。 如果将电子束引导到切割有两个狭缝的屏幕上，则电子会形成一定的波形。 从外观上看，每个电子必须同时通过两个缝隙-这是路径的叠加。 但是电子具有质量，它会影响引力场。 如果电子处于量子叠加中，那么它的场也应该处于量子叠加中。 这是一个非常奇怪的想法。 如果整个地球发生相同的事情，那么从树上掉下的苹果将经历两个不同的引力场，并且将同时在两个不同的方向上掉落。 这些特征与量子力学和广义相对论是不相容的。 场的叠加应该是量子引力固有的。
到目前为止，还没有人观察到这种影响，因为一个电子的引力场太弱而无法测量。 近年来，几个实验小组为更大的物体创建了叠加。 当今科学的最前沿正在研究纳克级质量。 Marcus Aspelmeyer和他的维也纳小组着手进行一项雄心勃勃的项目，以测量1毫克的引力质量引力[Schmöle，J.，Dragosits，M.，Hepach，H.，＆Aspelmeyer，M.用于测量引力的微机械原理证明实验毫克质量。 古典和量子引力33，125031（2016）。 我们可以测量量子物体的引力场的日子已经过去了。
Mauro Paternostro和贝尔法斯特皇后大学的同事正在使用类似的方法来确定哪些特征应该将量化的引力场与非量化的引力场区分开[Krisnanda，T.，Zuppardo，M.，Paternostro，M.，Tomasz Paterek，T.测量对象的经典性。 arXiv：1607.01140（2016）]。 他们的方法与典型的量子性质纠缠有关，其中不同物体的性质具有相关性。 想象两个物体通过重力相互作用。 它们之间的相关性将取决于该场是否被量化。 理论上，可以测量相关性并量化场。
如果我们有用于观察引力波的眼镜，那么黑洞的合并看起来会比超新星爆炸还要亮科学需要实验性的思想确认的事实不能被称为新闻，但是古代哲学家的梦想是，仅凭推理就可以揭开自然界的秘密，不幸的是，他们生活在致力于量子引力的理论家中。 结果，在选择先决条件时，无论是任意复杂的脑力锻炼，都会归结为审美或哲学偏好。 在数学山的掩埋下，大量关于量子引力的文献被埋葬。
在我第一次听说量子引力二十年之后，这个领域仍然被依赖数学序列的科学家所控制。 但是，像我一样，正在研究量子引力实验验证的可能性的人数正在增加。 而且，数学方法的失败越明显，那么无论其复杂性如何，唯一的方法就是寻找实验证据。 第一步是演示重力的量化。 然后，您可以开始所有引力现象。 这就是我们将量子引力从数学转移到物理学的方式。
物理学已经成为工程学。 与我的许多同事不同，我相信理解重力的量化可以在实践中帮助我们。 这样的理论不仅可以增进我们对空间和时间的理解，而且可以总体上改善量子系统。 这将是很长的路要走。 但是我们花了2000年的时间从亚里士多德的四个要素发展到物理学的四个力。 因此，旅程将很漫长。