在我们对物理世界的认识中，有一个明显的缺口:我们现有的理论都没有描述引力的量子性质。然而，物理学家预计，这种量子性质对于解释极端情况至关重要，比如早期的宇宙和黑洞深处的内部。理解它的需要被称为“量子引力”问题。
关于引力的经典概念是爱因斯坦的广义相对论。这个极其成功的理论正确地预测了从光的弯曲、水星的轨道到黑洞和引力波的各种现象。它告诉我们空间和时间的几何形状——时空——是由引力决定的。所以当我们谈论引力的量子行为时，我们实际上是在谈论时空的量子行为。
我们目前还没有一个确定的量子引力理论，但我们确实有一些试探性的理论。其中，圈量子引力(我们中的一个人，罗维利，帮助发展)和弦理论是两个主要的竞争者。前者预言时空结构是由微小的环网编织而成，而后者假定粒子基本上是振动的弦。
验证这些理论很困难，因为我们无法在实验室里研究早期宇宙或黑洞内部。物理学家大多认为，能够直接告诉我们量子引力的实验需要很多年以后的技术。
这种情况可能正在改变。最近的发展表明，进行实验室实验可能会揭示一些关于引力的量子行为。这种潜力是非常令人兴奋的，它在理论和实验物理学家中引起了真正的热情，他们正在积极地尝试开发进行研究的手段。拟议中的实验可以测试量子引力理论的预测，并为它们所基于的假设提供支持。
这些实验都涉及到发生在低能量下的事件，在那里弦、环和类似的预测是一致的，所以它们不会告诉我们哪个特定的量子引力理论是正确的。尽管如此，重力实际上是量子化的实验证据将是开创性的。
我们已经对引力对物质量子行为的影响进行了大量的观察。从恒星动力学到星系团的宇宙形成，一直到地球引力对量子系统影响的实验室实验，爱因斯坦的理论在这些情况下都能很好地发挥作用。但在所有这些场景中，引力本身的行为方式与经典物理学一致;它的量子特性是无关紧要的。更困难的是观察我们所期望的引力以量子力学的方式表现的现象。
在我们的职业生涯中，我们都在研究量子引力——罗维利是物理学家，休格特是哲学家。我们非常有兴趣探索这些实验能告诉我们什么，不能告诉我们关于量子引力的什么。如果它们成为现实，我们可能会第一次看到空间和时间本身是量子的。
我们俩在最近一次会议的休息时间讨论着事态的发展。在英国牛津的一家咖啡馆喝咖啡时，我们想出了一个简单的思想实验，说明如何揭示引力的量子本质。(例如，法国艾克斯-马赛大学的亚历杭德罗·佩雷斯(Alejandro Perez)在暗物质探测方面的研究，以及以色列理工学院的内塔内尔·h·林德纳(Netanel H. Lindner)和阿什·佩雷斯(Asher Peres)也曾讨论过相关的想法。)
我们的想法涉及“干涉”，它在揭示量子力学的许多方面都至关重要。干涉是一种现象，适用于波，量子或非量子。所有的波浪都有波峰和波谷的图案;两个波峰或波谷之间的距离就是波长。如果两个波浪的波峰在一点相遇，它们结合在一起产生的波峰是单独一个波浪的两倍高，当两个波谷相遇时，你会得到一个两倍深的波谷。这种干涉被称为建设性干涉。因此，相消干涉是指波和波谷重叠并相互抵消。
在19世纪，干涉使科学家托马斯·杨证明了光像波一样运动。他将光线穿过两个狭窄的缝隙，在他们身后的屏幕上投射出图像。每个狭缝发出的波都以相同的距离到达两个狭缝之间的点，所以它们的峰值同时到达那个点，从而产生建设性干涉——这就是杨看到最亮的光的地方。在光源右边沿壁面较远的地方，来自左边狭缝的波要比来自右边狭缝的波传播的距离稍长，因此波峰和波谷不再对齐，增加的波的高度降低。最终会有一个点，在这个点上，来自左边的波比来自右边的波传播了半个波长，波峰与波谷对齐，形成相消干涉;杨在这里看不到光。这种模式被称为“杨氏条纹”，沿着墙壁重复出现，表明光实际上是一种波。
杨的实验纯粹是经典的，但这种设置的变化对量子物理学很重要。1923年，物理学家路易斯·德布罗意提出，量子物体的行为可能不像人们通常认为的那样像小台球，而是像波。如果是这样的话，像中子这样的粒子也应该在双缝实验中产生一种条纹图案——事实上它们确实如此，正如20世纪80年代在核反应堆中产生的中子所证明的那样。
令人惊讶的是，当中子一次通过一个双缝时，这些实验产生了相同的结果。即使是通过实验发送的单个中子也会产生干扰，这意味着它会以某种方式干扰自身。只有当中子像两个波一样沿着两条不同的路径运动时，才会发生这种情况。因为同时出现在两个地方的想法对经典粒子来说太陌生了，所以采用了一个新名词;我们说中子处于这里和那里的“叠加态”。
量子怪异的这一部分适用于引力吗?它适用于空间和时间吗?为了解决这些问题，我们求助于广义相对论，它告诉我们，质量(或更普遍的能量)的存在意味着附近的时空将是弯曲的。反过来，这种曲率意味着物体会自然地向质量方向偏转，这解释了它的万有引力。这样的时空曲率也意味着时钟在接近质量时运行得更慢。这种效应可以用于将量子力学和引力结合在一起的干涉实验——这是证明引力是量子的一步。
假设一个以波的形式存在的中子被一面反射和透射等量波的镜子一分为二。由此产生的两个量子波以不同的路径传播到屏幕:一个与地面平行然后向上传播，另一个向上传播然后与地面平行，每条路径形成矩形的两面。当波离开镜子时，它们是同步的，但是由于地球的重力，沿着较低路径的波振荡得更慢，它的波峰会稍微晚于沿着较高路径的波到达。(垂直段对两者的影响是一样的。)其结果是纯粹由时空曲率引起的量子干涉。
物理学家在1974年提出了这样一个实验。第二年，普渡大学的Roberto Colella和Albert W. Overhauser与当时福特汽车公司的科学家Samuel a . Werner合作，成功地实现了这一目标。该团队观察到预测的条纹模式，直接证明了引力对粒子量子行为的影响，这让许多科学家非常兴奋。但即使中子在实验中表现出量子力学的行为，引力在这种情况下可以用广义相对论来描述，所以它仍然是经典的，而不是量子的。
新提议的突破之处在于，他们的目标是更进一步，首次证明引力，就像中子、光和所有其他量子物体一样，也具有量子性质。
根据广义相对论，所有的物质，无论是行星、尘埃还是中子，都会影响时空曲率。一个小物体产生的时空变形是微不足道的，但它仍然会发生。但是，如果一个小物体处于位置的量子叠加态呢?因为每个位置都会产生不同的时空几何，物理学家期望结果是几何的量子叠加。这就好像时空同时具有两种形状。我们希望有一天能在实验室里看到这种奇异的量子引力。
我们那天在牛津想出的一个简单的思维实验，从原则上说明了这是如何实现的。想象一下，你让一束光在叠加状态下经过一个物体。光会穿过两个时空几何的叠加。在一种几何形状中，它可能离物体很远，在这种情况下，重力的影响可以忽略不计，它将沿着一条直线飞向屏幕。在另一种几何形状中，它会通过距离物体足够近的地方，因此必须考虑重力，所以它会沿着弯曲的路径到达屏幕。这两种不同的路径意味着，当波在屏幕上重新组合时，它们会相互干扰，产生泄露信息的条纹图案。
至关重要的是，除非重力能够以叠加态存在——换句话说，除非重力本身是量子态的，否则干涉不会产生。相反，如果引力基本上是经典的，就不会产生这种干扰。也许，正如数学家、诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)所说的那样，大自然从叠加的几何形状中选择了一种，使处于叠加状态的质量“选择”了一个单一的位置。或者可能有一个单一的几何结构对应于在其可能位置的平均位置上的单个质量。无论哪种方式，都不会有几何形状的叠加，光线将沿着一条单一的路径，不会干扰自己。因此，如果干涉条纹在这样的实验中出现，根据标准物理学，它们将显示出类似量子的引力行为，比如几何形状的叠加——这是迄今为止任何实验都没有得到的重大结果。
进行这样一项实验的前景如何?一方面，我们叠加的物体质量越大，对引力的影响就越大，从而对光的影响也就越大。另一方面，尽管每个物体基本上都是量子力学的，但大多数大型日常事物基本上不可能在叠加状态下观察到，因为它们与环境相互作用太多，隐藏了任何干扰。我们称这种效应为“退相干”。物体越大，相互作用的机会就越多，退相干也就越多;克服这种效应的孤立系统的科学家获得了诺贝尔奖。
所以我们在实验中被拉向两个方向。我们需要足够大的东西让我们看到引力效应，但又需要足够小的东西让我们看到它的量子本质。我们得找到最佳位置。
量子引力以三个自然常数为特征:光速、描述引力强度的艾萨克·牛顿常数和描述量子现象尺度的普朗克常数。通过算术运算将它们结合在一起，就产生了大约20微克(μg)的特征“普朗克质量”。这大约相当于一个跳蚤蛋或一根几毫米长的头发的质量:不大，但与大爆炸所涉及的能量不同，绝对相当于人类的规模。我们希望搜索的最佳点似乎是在这个质量周围，它涉及引力和量子力学常数。
最近，科学家们能够将一个质量如此之大的物体置于相距十亿分之二纳米的量子叠加态中。然而，这个距离还不到我们的测试产生可见效果所需距离的十亿分之一。这种情况可能看起来毫无希望，但对一个实验主义者来说，这听起来像是一个挑战。实验室正在努力更好地控制普朗克质量物体的量子行为，并观察质量比20 μg轻许多倍的物体的引力效应。
但是，如果我们想要观察条纹图案，我们不能仅仅将光照射在叠加态的物体上。即使在普朗克质量物体的引力场中，这种效应也太小了。为了让我们有机会观察到我们所寻找的东西，光的波长需要达到10 - 32米——这也是只在大爆炸中发现的难以接近的领域。
如果我们不使用光，而是使用第二个量子质量在原始质量附近移动，并利用其量子波的性质，会怎么样?质量越重，引力就越大——它运动得越慢，承受引力的时间就越长。这两个效应是戏剧性的:如果两个质量都是普朗克质量的万分之一，那么条纹应该是可以观察到的，这与目前的实验能力非常接近。
2017年，两篇关于在实验室中测量量子引力效应的另一种方法的论文引发了物理学家的极大兴奋。这项研究提出了一种观察时空几何叠加的策略，这种策略比我们两人提出的方法更微妙，甚至可能更接近。两者都建立在理论和实验的最新进展之上，这些进展使引力和量子物理学更加紧密地联系在一起。两者的灵感都来自于理论物理学家理查德·费曼1957年提出的一个想法，这个想法最初是由苏联物理学家马特维·布朗斯坦提出的。
从两个普朗克质量的粒子开始，每个粒子都处于量子叠加位置。结合起来，这对粒子处于四种可能性的叠加状态:一种是它们靠得很近，两种是它们相距(远得多)，一种是它们在实验中彼此距离最大。由于时空的几何形状取决于粒子之间的距离，粒子排列的不同可能性对应于不同的几何形状。再一次，粒子叠加意味着引力也处于量子叠加态。
根据量子理论，一个静止的量子粒子是一种波，它的振荡频率取决于它的能量，所以它是一种时钟。但正如我们提到的，重力会影响时钟的运行速度。特别是，粒子以不同的排列方式以不同的速率振荡:它们离得越近，它们振荡得越慢。结果，这些叠加的排列就会彼此失相。和以前一样，当波偏离相位时，它们会经历干涉，在这种情况下，可以通过两个粒子之间称为“纠缠”的特征量子相关性来测量。
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量子信息理论的一个基本结果表明，除非粒子相互作用的引力场处于量子叠加状态，否则无法观察到纠缠。因此，观察两个粒子的纠缠是展示引力场量子力学行为的另一种手段。2019年，罗维利与维也纳量子光学和量子信息研究所(IQOQI)的马里奥斯·克里斯托杜鲁(Marios Christodoulou)发表了一篇论文，认为如果引力确实是由时空几何变形引起的，那么测量这种纠缠将提供证据，证明时空几何可以叠加——人们可能会说，空间和时间是量子的。
2017年的提议，以及这种时空物理学与量子信息领域的融合，已经引起了一系列实验、理论和哲学上的后果。我们都是一个名为“时空量子信息结构”(QISS)的研究联盟的成员，该联盟致力于从理论上和实验上阐述这些想法。例如，IQOQI的一个小组一直在开发纠缠实验所必需的实验技术。QISS的其他小组已经阐明了该实验的理论和哲学意义，并提出了测量纠缠的替代方法。
QISS的合作涉及到Huggett这样的哲学家，这似乎令人惊讶。但是，对空间和时间进行哲学研究的传统可以追溯到古代，从17世纪的博学家牛顿和莱布尼茨，到19世纪的科学家庞加莱、爱因斯坦和许多其他人。当空间和时间等基本概念需要重新思考时，我们需要能够带来高水平分析和概念(即哲学)清晰度的人。例如，Huggett最近在与科学哲学家Niels Linnemann和Mike D. Schneider合著的一本书中探讨了引力纠缠的含义。
这并不是科学家们第一次设想通过实验室实验来测试可能的量子引力现象。但据我们所知，过去的所有建议都涉及到不可观察到的小效应或极具推测性的效应，这些效应实际上无法通过关于量子引力的合理假设来预测。Rovelli还记得他第一次遇到新的引力诱导纠缠实验的想法时的惊讶:这种现象很可能是可测试的，而且我们期望它是真实的。
在接下来的几年里，要进行这样的试验还有很长的路要走(要实现我们自己的思想实验，可能还有更长的路要走)。但如果他们能成功完成，他们将测试几乎所有理论都同意的低能域。如果研究人员找到了时空叠加的证据，那么他们将为我们的量子引力理论的基本假设提供第一个直接证据。我们将在很大程度上排除引力是经典的可能性，这是一个重大的、以前意想不到的进步。不仅如此，实验学家还将达到物理世界的一个新视界，在宏观实验室中产生一个可观察到的量子时空区域。物理学最终将具体地进入一个目前仍是假设领域的领域。
如果没有观察到叠加的迹象，这些实验将转而支持引力本质上是经典的猜测，这将使物理界的许多人的期望陷入混乱，并使过去40年的大量工作陷入危机。这样的结果需要我们对世界的理解以及量子理论和引力之间的联系进行重大的修正。
无论哪种情况，其影响都将是巨大的。
