在物理学中，我们通过猜测来发现一个新的规律，然后将猜测的结果与实验结果进行比较。正如理查德 · 费曼所说：“你的猜测有多美没有用，你有多聪明也没什么用……如果与实验不符，那它就错了。”
这就是物理和数学的本质区别。数学家也会猜测，其真理的最终裁决者是严格的证据。物理学家可以使用甚至发明复杂的数学工具，但他们的目标不同：解释宇宙的真实面貌。因此，实验是必不可少的。
当然，实验验证可能远远落后于理论推测。科学家们花了100年的时间才在地球上探测到引力波，花了50年才发现希格斯玻色子。两者都需要极大的创造力、技术发展和资金投入。这些实验观察不仅证实了理论预测，还教会了我们一些新的东西，同时也为进一步的研究打开了大门。我们知道天体物理源可以产生可探测的引力波，但我们不知道这些源有多普遍，我们有理由相信希格斯玻色子的存在，但不确定其质量。
量子引力的研究是理论领先于实验的极端情况。我们对原子和亚核粒子尺度上的量子物理学有着相当令人满意的理解，但没有可实证的适用于强引力的量子理论。如果没有这样的理论，我们就无法理解宇宙大爆炸后的早期宇宙发生了什么，也无法预测在黑洞中的一个不幸的宇航员被压缩到难以想象的高密度时的确切命运。我们需要实验来指导我们，但它们却令人沮丧地难以捉摸。
粒子物理学的历史提供了一个有益的对照。到20世纪50年代，我们有了一个与实验相符的弱核力理论。但纯粹出于理论上的原因，我们知道它是有缺陷且不完整的；我们甚至可以估计，该理论的预测将在非常小的尺度范围上——大约10-18米或更小——失效。最终，强大到足以在这些微小尺度上探索物质的加速器导致了新现象的发现——例如W和Z玻色子和希格斯粒子——指向了一个更完整的理论。
有了万有引力，我们又有了充分的理由相信目前的理论是不完整的，在这里我们也可以估计出新现象出现的距离尺度：大约10-35米。不幸的是，要建造一个能利用现有技术探测这种尺度规模的粒子加速器，其规模将与银河系相当。显然，即使在遥远的将来，这也是遥不可及的。
既然用“蛮力”来研究量子引力是行不通的，我们就必须找到一种更巧妙、更间接的方法来取得进展。事实上，我们确实有各种各样的在实验室里探测量子引力的建议，所有这些都需要实验家的不懈努力。我想讨论一种我觉得令人兴奋的方法。
为了理解它，让我们把重点放在黑洞的形成和最终蒸发的量子效应上，这是量子引力研究中的典型现象。起初，在实验室里进行相关的实验似乎是不可能的，更不用说其危险性了。但也许有办法。
量子引力的理论研究已经在同一物理现象的两种不同表述之间建立了惊人的等价关系。由于这种等价性，黑洞的生命周期可以用一种完全不同的语言来描述，完全不涉及引力。相反，“双”量子系统是由许多强相互作用粒子组成的。目前研究的一个目标是充实翻译这些语言的词典。
这种对同一物理基础的两种不同描述的等价性，看起来“仅仅”像是一种数学观察，但它对实验的影响是深远的。事实证明，研究黑洞的非引力描述所需的实验工具正是物理学家们为了完全不同的原因而开发的工具——解决非常困难的计算问题的量子装置。这是因为在量子引力的模拟和量子计算中，我们都需要存储一个由许多粒子组成的复杂系统，并精确控制它们的相互作用。
多年来，我对量子计算和黑洞都非常感兴趣，所以对我来说，两者之间的这种联系是迷人的和令人满意的。可以肯定的是，量子计算技术还不成熟，所以我们短期内无法在实验室模拟真实的黑洞。没关系，我们将致力于研究简化模型，这些模型捕捉了量子引力的一些有趣特征。这些都是有益的，随着量子技术的进步，我们将能够进行越来越复杂的实验。
此外，这种二元性是双向的。量子计算机不仅能教会我们有关量子引力的知识；通过将许多强相互作用粒子的行为与引力现象联系起来，我们也可以更好地理解这种行为。通常，如果我们在一个强相互作用系统中的某个特定位置留下一些信息，这些信息会迅速传播，很快就会变得非常难以解读。但我们知道一些有趣的情况，由于一些不明显的原因，信息最终会重新聚集，并在相距很远的另一个地方变得容易解读。
当这个神秘的过程被翻译成双重引力语言时，它会更容易理解。在这个框架中，一个虫洞连接着两个遥远的空间点。印记信息在进入虫洞一端时消失，然后在从另一端重新出现。物理学家渴望得到这种对复杂现象的直观解释，而实验家和理论家的共同努力，必然会产生更深入的类似见解。
我们有时会担心，随着科学的进步，它会不断地分裂成越来越窄的专业，彼此之间的互动越来越少。但根据我自己的经验，我看到了一个更强大的反向趋势：随着知识的进步，从事不同领域工作的科学家发现，他们有越来越多的东西可以相互学习。在实验室里探测量子引力的机会是由高能理论物理学家的推测所推动的，但它也大量地借鉴了凝聚态物理学家、原子物理学家和计算机科学家的专业知识。这些令人兴奋的深入联系使我对未来感到乐观。
资料来源quantamagazine.org
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本文作者约翰·普雷斯基尔（John Preskill）是美国加州理工学院理论物理学教授。