连大师都没搞定的问题，我们到底怎样才能够进一步推进呢？在现代物理学家的眼中，要想在这个问题上有所突破，想要一步到位是不可能的。

我们只能先试探性地走出第一步，然后看看出现了什么后果，再看看这个后果会产生什么影响，如何消除这些影响。说白了，我们只能摸着石头过河。

既然是摸着石头过河，那么从哪里开始摸，在冬天还是夏天摸，戴着手套还是光着手摸，这就是仁者见仁智者见智了。在这个问题上，每个物理学家都有一套自己的办法。比如，超弦理论，霍金辐射理论，圈量子引力，火墙悖论，都是摸石头的产物。

不过，检验这些理论对实验的要求高得不得了。一个主要的原因是因为这些理论模型的预言都只能在极端实验条件下检验，比如在极小空间尺度10^-35米，或者是极高能标 10¹⁹GeV，这些都远远超出目前可以到达到的实验条件。别说我们这一代人了，也许再过100年，这些实验我们都一个都不可能做出来。

那么问题来了：

这就要说到澳大利亚昆士兰大学蒂莫西·拉尔夫教授等人摸到的“石头”，它的名字很拗口，叫作量子场理论的事件形式。

（二）为什么要给量子场理论动手术

“量子场理论的事件形式”，说白了就是拉尔夫等人给传统的量子场理论做了个微创手术。经过手术以后，量子场理论的新形式，就能更好地跟引力理论相容。

具体地说，许多物理学家发现，我们现有的量子力学（包括量子场理论在内），一旦考虑引力的影响，就会产生很多诡异的结果。

比如，广义相对论预言了一类称为“虫洞”的奇异时空结构。

其实，按照美国理论物理大师惠勒的观点，如果你拿一个超大型的、并具有几乎无限时间分辨率的显微镜，在普朗克尺度（10^-35m）上观察任何一处空间，就会发现，其中充满了大量涨落着的微型黑洞和虫洞，这种现象有时也被称为“时空泡沫”。

从原则上讲，有可能存在某种物理机制，能把这些处于量子涨落的虫洞给激发出来，形成稳定的虫洞结构。

如果这些理论都是真的，那就麻烦了。因为虫洞实际上可以破坏事件发生的时间顺序，假如在空间中真的存在稳定的虫洞结构，那么许多基本粒子就有可能随时穿过它，回到过去某个时刻的某个地方！

用物理学的黑话说，这种时空存在闭合的类时曲线，是一种因果律遭到挑战的时空，是一块危险的石头，自然界不会允许这类时空结构存在。当然这只是一派人的观点。

另一派人认为，这块石头表面上很危险，实际上，如果我们把它安排好了，它就可以变成一块垫脚石，帮助我们过河。这派人的代表人物有2017年诺贝尔物理学奖得主索恩，超弦理论专家波尔钦斯基，和量子信息理论专家德义奇。

正是在这样的动机下，拉尔夫等人给标准的量子场理论动了一个小手术，让它能够适应这种怪异的时空。那么，这个手术是怎么动的呢？

（三）手术方案：对事不对人

拉尔夫等人动的手术其实很简单，说白了就是一句话：对事不对人。

比方说，如果把一个粒子看成一个人，然后让这个穿过虫洞，回到过去某个时刻，遇到了过去的自己，然后跟过去的自己共存了一段时间。

对于这种现象，我们如何用量子理论来描述呢？在标准的量子场理论看来，这两个人是同一个人，应该用同一个数学符号来描述它。于是，在同一时刻，任何一个数学符号都有可能同时描述“两个人”或“多个人”。这会产生极大的混乱。这就像一个班级里，有两个同学同姓同名，老师点名都没法点。

既然问题是同姓同名，那么解决的办法也很简单，那就是除了名字之外，再给他们取一个（用数学符号写成的）外号。用物理学黑话说，拉尔夫等人向量子场理论中，增加了一个额外的自由度。这就是拉尔夫等人提出的手术方案。

在拉尔夫等人看来，他们一旦给时空中的“两个人”赋予了不同的数学符号，那就相当于他们把“一个没有经过虫洞的人存在于此时此地”看作一个事件，把“一个人经过虫洞后再次存在于此时彼地”看作另一个事件。也就是说，他们把量子场理论改造成了一种对事不对人的理论，因此，这个理论就叫作量子场理论的事件形式。

那么，拉尔夫等人的改法到底对不对呢？虽然直接检验这种理论的难度，丝毫不低于其他理论，但拉尔夫等人还是提出了一个巧妙的方法。这就是本文开头所说的，在地球引力场中做的量子光学实验。

（四）在地球引力场中检验量子纠缠的稳定性

这个实验的思想是这样的。虽然地球上没有虫洞，但是地球的引力场会产生一种非常显著的引力效应，叫作引力场的时钟延缓效应。

简单地说，以在周围没有引力场的时钟为参考标准，某个时钟附近的引力场越强大，这个时钟的时间流逝速度就越慢。

我们在牛顿时代知道，地球的引力场在地表处最强。离开地表以后，引力场会逐渐减弱，减弱的速度服从牛顿的平方反比定律。

因此，在太空中卫星上的时钟，就要比地面上的时钟，走得稍微快一些。不仅时钟走得快，在太空中一切物理、化学、生物的反应，都要比地面上略快一些。只不过，这个略快的程度非常低，只有用极为精密的实验才能测量出来。

拉尔夫等人提出，引力场的时钟延缓效应，会向某些存在量子纠缠的光子对，施加不可估量的影响。具体来说，这种影响会导致光子对的量子纠缠部分消失，并且，这种影响只有在事件形式中才存在，在标准的量子场理论中是不存在的。

因此，在地球引力场中检验量子纠缠的变化，就成了检验拉尔夫等人摸到石头能否成为过河垫脚石的最佳方案。

（五）实验结果：这届石头不行！

说到这儿，轮到实验物理学家上场了。

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、范靖云等与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位的科研工作人员合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星做了这个量子光学实验。

这是国际上首次在太空中利用卫星开展的关于量子力学和引力理论关系的量子光学实验研究。2019年9月19日，国际权威学术期刊《科学》杂志第一时间（First Release）在线发布了这一研究成果。

实验过程大致是这样的。在坐落在阿里地区的地面实验站，实验团队先是制造了一对量子纠缠的光子对。

然后，他们让其中一个光子飞到500千米高的墨子号卫星上，被卫星搭载的仪器探测，并记录下来。同时，他们让另一个光子穿过地面上的线路，被地面仪器探测，并记录下来。

通过比较有多少不同光子到达仪器的时间，计算它们“时间重合率”，实验团队就能搞清楚它们在到达实验仪器之之前，到底有没有维持着量子纠缠的状态。

根据事件形式理论，由于一个光子在地球上，一个飞到了太空中，受引力场的时钟延缓效应影响，它们经历的“时间流逝”是不一样的。因此，它们的纠缠会迅速破坏，未被破坏的比例只有100万分之一。

但实验团队的结果表明，保持量子纠缠的光子对的比例接近100%。因此，拉尔夫等人提出的事件形式理论就这样被实验否决了。

那么，这是否意味着，用这种摸着石头过河的姿势不对呢？拉尔夫认为，这并不能说明我们不能这样摸着石头过河。这只能说明：

那么，这是否意味着，用这种摸着石头过河的姿势不对呢？拉尔夫认为，这并不能说明我们不能这样摸着石头过河。这只能说明：

在与实验团队仔细讨论分析了实验结果后，拉尔夫立刻修改了他原来的理论，提出了事件形式理论2.0版本。在这个版本中，光子的纠缠不会迅速破坏，未被破坏的比例可达到96% ~ 98%。这样一改，实验精度的需求就大大提高，实验团队就难以再用墨子号卫星检验它的真伪了。 

于是，要想打破砂锅问到底，我们现有的手段都难以做到，只能等未来有合适的机会，通过更精密更先进的实验来检验它了。例如，研究团队将来打算利用中高轨卫星，在更大的引力强度范围内开展实验。

总之，这个实验告诉我们的结论只能是：这届石头不行。数风流石头，还看明朝（zhāo）！

请你不要笑。自物理学诞生以来，所有的物理学理论都是这样发展出来的。

你看到的每一个写入教科书的理论，在提出之初，身边都有无穷多的竞争者。在当时的物理学家看来，它们都是看起来比较扎手的怪石头。

物理学家只有一块一块地摸过去，把不好的扔掉，把好的留下来。有的当作垫脚石，有的当作桥梁的地基，有的当作教训。这样日拱一卒，坚持不懈，最终才有可能涉水过河，到达科学的彼岸！

参考文献：

1.  赛先生，墨子沙龙，《“墨子号”再登Science：引力会影响量子行为吗？》。

2.  https://science.sciencemag.org/content/early/2019/09/18/science.aay5820

3.  Ralph T C, Pienaar J. Entanglement decoherence in agravitational well according to the event formalism[J]. New Journal of Physics,2014, 16(8): 085008.

4.  T. C. Ralph, G. J. Milburn, T. Downes, Quantumconnectivity of space-time and gravitationally induced decorrelation ofentanglement. Phys. Rev. A 79, 022121 (2009).

5.  Ralph T C, Milburn G J, Downes T. Quantum connectivity ofspace-time and gravitationally induced decorrelation of entanglement[J].Physical Review A, 2009, 79(2): 022121.

6.  FriedmanJ, Morris M S, Novikov I D, et al. Cauchy problem in spacetimes with closedtimelike curves[J]. Physical Review D, 1990, 42(6): 1915.

7.  https://www.scientificamerican.com/article/time-travel-simulation-resolves-grandfather-paradox/