由于分属的时空量级相差得太大，量子物理和引力物理一直保持独立。如今，研究或许指出了它们之间的一些联系。
阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论是一种经典描述。用量子力学来描述引力，不仅是出于研究经典系统和量子系统之间耦合的需要，也是因为人们就是想得出一个关于我们周遭物理世界的完整描述。
《物理光子学》期刊中，Wen-Te Liao和 Sven Ahrens向我们解释了量子物理和引力物理间的一丝联系[1]。他们提出了在超辐射（superradiance）中由于量子光学效应，引力场改变了电磁辐射的世界线（world line）*。
*译者注：世界线是物体在四维空间中的运动轨迹。
超辐射是量子相干受激态的的原子团，或原子核团的协同的自发辐射。当原子核团吸收了一个X光脉冲的光子，且光子的能量等于原子核两个能级之间的能量差，那么形成了受激态。稍后，这个原子核团会发射一个光子，它一般来说会向着刚才射入的方向传播。从吸收到发射有一段时间，这段时间比一般单个原子或原子核的受激态待寿命（lifetime）要短。这些是超辐射的特征[2, 3] 。当这团粒子吸收了光子，它储存了入射电磁场模式的波阵面相位信息。此时受激态就成了量子相干的叠加态。这些叠加态中每一个都是一个原子/原子核在受激态，其余在基态。通过发射，光子回到了原来的模式。用经典物理来做个类比，相位阵天线可以选择发射模式，而这里的单个光子也一样。这些辐射之间相干相长，就有了方向性，发射的几率也提高了，即更快的重发射（reemission）。
这实际上就是类似Scully等人报告[4]的单光子的相关实验。入射的X光脉冲是可预测的（Heralded）。例如，可以用同步加速器光源射频驱动的微波光子，通过探测光子计算发射时间。
可以对比这两种情况：（1）x光射线的光子只是从光源到探测其以光速传播；（2）一个光子在谐振原子核团里储存，然后过一阵子后重新被创造。两种情况的世界线一个平滑，一个拐折。
有趣的是，整一团中有可能被激发的原子核，因为它们在粒子团中所处的位置不同，会经历略微不同的引力红移*。根据Liao和Ahrens的计算[1]，这就使重发射的光子有了一定的偏移，这种偏移和光子被“储存”的时间成正比。这种偏移和假设光子在这段时间内受相同引力场作用“飞行”产生的偏移一样大。一个光子若没有经过吸收和超辐射的重发射，它待在引力场的时间短些，它的偏移角度就小一些（图一）。偏移（电磁场相位变化率的改变）的发生，不仅需要重发射一个光子。更需要的是整个重新创造这个光子，包括它的相位信息，而这是由于原子核团里所有可能的吸收和发射过程的量子叠加。自发辐射是一个量子过程，是有可能实现的的单一过程的叠加。原子核团一定的有空间分布，这些过程在同一时间不同地方感受到了引力势能。由此，量子物理和引力物理就联系到了一起。现代物理两大支柱所描述的现象都超越了我们的日常生活经验，只有研究延伸到了我们的自然界，才能够发现这些现象。
*译者注：引力红移是指当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些，
图一：蓝色线表示因引力引起的偏离角度Φg，它的大小和光子在原子核团里的“储存”时间成正比。光子“储存”是指它重新通过超辐射发射出去之前的状态。在引力场中，比方说在地球的引力场中，在粒子团中的相位演化由于引力红移而显差异，波阵面就有了倾斜，从而微调了超辐射的发射。红色的线是一个作为参照的光子，它没有经过储存，在引力场待得时间短因而偏移要小些。我们日常当然都能感受到引力。然而，时间和空间的统一以及大质量引起的时空扭曲，我们是感受不到的。在地球上，只有我们进行精密测量的时候，或者我们遥望宇宙的时候，这些概念才有意义。
同样的，一百多年前量子物理效应的发现是一个意外。因为只有精巧地定义条件，这种效应才得以体现，平常生活中通常是不会发生的。第一种出乎预料的现 象就是光电效应[5] 以及黑体辐射的光谱[6, 7] 。如今，量子物理描述的范围很广：光学（比如激光、光电子等等）、电子（固态物理的很多方面、半导体技术等等）、化学（理解化学键和反应进程规划）、核物 理、粒子物理等等。第一个观察到的量子现象就和电磁场辐射有关，这不是巧合。研究量子物理效应需要非常精确的条件，即量子相干。要设置这种初始条件，一般 都依赖于自由度有限而可控的微观世界。可见光及其周边光域很特殊，因为室温下这个范围几乎没有黑体辐射（可以说是零），而且波长在微米量级，因为也比较容 易用宏观物体来控制，比如说用光栅作光谱选择。但要探测到量子效应，我们需要把微观世界转换到宏观不相干的世界，一个大到可以放下一个表盘、一本杂志的地 方。电子有着很强的库伦作用力，可以用来作这种转换。所以说，用光设置起始状态（过滤光谱），用电作测试从而转换到宏观领域，是发现光电效应的量子本质的关键。
在微观和宏观宇宙量级之间的，就是我们这个世界，我们研究科学的工具也在这里。电磁辐射在人类可及的时间内可以穿越宇宙间距离，所以它或许最合适被当作跨越这些不同量级的工具。因此在Liao和Ahren的提议中[1]，电磁辐射也被他们选择作为工具。
有意思的是，在相同时间内，文献[1]中公式（4）描述的偏移和牛顿描述的引力偏移相等（把分母的平方根设为近似于1），即在自由飞行中获得的速度 等于光速。众所周知，广义相对论讲引入两倍的偏移，因为除了自由落地加速度，还有非定域的时空扭曲，平行于测地线的传输引起了更多的偏移。讨论一个“静止 的光子”的偏移是否是因为后者引起的，多么激动人心啊，它得出了和牛顿理论相同的结果，却是因为不同的原因。
Liao和Ahren[1]还讨论了原子核团加速（旋转）的情况，以及大家熟悉的灯塔效应*[8] ，即利用旋转让重发射的光束延伸扫描。
*译者注：在快速旋转的圆柱体内表面附上物质，例如铁，在X光射线的照射下，铁先是吸收了X光射线，其后又发射出x光射线，这段时间差内圆柱体已经转了几度。在另一端的探测器接受到的信号有起有伏，好似灯塔的信号灯。
这里提议的实验，甚至是作为其基础的思想实验（gedanken experiment），虽然还不是“量子引力”，但可以让我们了解一些量子物理和引力物理。要注意的是，要真正在这个实验里测试引力势能作用下极小的偏 移，挑战非常大，它需要足够有效地压制对其它所有的效应，比如说原子核团内由于杂散磁场所引起的差异性时间演化。
此文介绍最新的研究量子与引力间关联的一种方法。关于研究的目标与历史总结，可以参考《量子动力世界里的万有引力》 https://article.yeeyan.org/view/525497/445241
参考文献
- Liao, W-T. & Ahrens, S. Nature Photon. 9, 169–173 (2015)
- Gerdau, E. & DeWaard, H. Hyperfine Interact. 123–124, 1 (1999);
- van Bürck, U., Siddons, D. P., Hastings, J. B., Bergmann, U. & Hollatz, R. Phys. Rev. B 46, 6207 (1992).
- Scully, M. O., Fry, E. S., Ooi, C. H. R. & Wódkiewicz, K. Phys. Rev. Lett. 96, 010501 (2006).
- Lenard, P. Annalen der Physik 313, 149 (1902).
- Einstein, A. Annalen der Physik 322, 132 (1905).
- Arons, A. B. & Peppard, M. B. Am. J. Phys. 33, 367 (1965).
- Röhlsberger, R. et al. Phys. Rev. Lett. 84, 1007 (2000).
译者： XQZ 原作者：Bernhard W. Adams