北京大學(xué) 徐仁新 編譯自 Djordje Minic.
Physics, July 21,2025
本文選自《物理》2025年第9期
近期提議的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)或可揭示量子論和廣義相對(duì)論之間未知的關(guān)聯(lián)。
雖然誕生于一百年前的量子論如今取得了巨大成功,但仍存在一個(gè)明顯的疑問(wèn):物質(zhì)的屬性是量子化的,而由物質(zhì)的存在所確定的時(shí)空卻似乎是連續(xù)的;這會(huì)導(dǎo)致若干深刻問(wèn)題。時(shí)空是否具有不可分割的量子單元?當(dāng)然這些單元或許不像物質(zhì)那樣一步一步地可分割。若如此,時(shí)空量子是否具有可觀測(cè)的特征并牽連到其他物理領(lǐng)域?為此,美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的Covey及其同事給出一個(gè)解決方案,涉及地球周?chē)鷱澢鷷r(shí)空中量子態(tài)屬性的測(cè)量。
這個(gè)方案跟量子引力有關(guān),即如何將量子論和廣義相對(duì)論邏輯一致地統(tǒng)一起來(lái)。不少學(xué)者認(rèn)為這是物理學(xué)最重要的疑難之一(當(dāng)然,也有人認(rèn)為引力就不該量子化,量子引力概念可能根本上是誤導(dǎo)的)。跟蓬勃發(fā)展的量子理論和應(yīng)用領(lǐng)域相比,量子引力仍停留在理論研究階段(包括弦理論和圈量子引力等)。因此,量子引力具有推測(cè)性,缺乏經(jīng)驗(yàn)性,只能通過(guò)已知的量子論和廣義相對(duì)論來(lái)約束。
物理學(xué)家在20世紀(jì)50年代就提出量子引力的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),但大多是不切實(shí)際的。近幾年來(lái),人們開(kāi)始嚴(yán)肅地對(duì)待這些想法,并兼顧了量子光學(xué)、引力干涉和多信使天文等技術(shù)的快速發(fā)展。他們研究了量子引力的若干可能表現(xiàn),包括引力誘導(dǎo)的量子糾纏、引力干涉時(shí)的量子時(shí)空漲落,以及引力場(chǎng)三階以上的內(nèi)稟量子干涉效應(yīng)。(注意:在量子引力理論中才會(huì)有這類(lèi)干涉效應(yīng)。) Covey等的研究就屬于這一新興領(lǐng)域。
理論上,在超越牛頓力學(xué)描述的極限時(shí),可以探索彎曲時(shí)空中的量子效應(yīng)。Covey等希望設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),以獲取量子論在該特殊情形下成立的經(jīng)驗(yàn),探索后牛頓彎曲時(shí)空中的量子行為。團(tuán)隊(duì)也意識(shí)到一個(gè)現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn):量子效應(yīng)在特定空間尺度范圍內(nèi)的表現(xiàn)極其微弱。
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Covey及其同事認(rèn)為,可以利用相距較遠(yuǎn)的三個(gè)原子鐘來(lái)探究彎曲時(shí)空中的量子理論
為此,Covey等提議在地球引力場(chǎng)中構(gòu)建相距較遠(yuǎn)的、對(duì)后牛頓彎曲時(shí)空敏感的量子態(tài)。具體而言,他們考慮在相距幾公里的不同高度上放置三個(gè)光學(xué)原子鐘系統(tǒng),如圖所示。通過(guò)在每個(gè)時(shí)鐘中編碼信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)離域,但整個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)糾纏態(tài)。整個(gè)狀態(tài)的性質(zhì)依賴(lài)固有時(shí)的差異,因而跟三個(gè)原子鐘所處的時(shí)空曲率相關(guān)。
Covey等討論了如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索彎曲時(shí)空中的量子理論,包括理論的線(xiàn)性、幺正性和概率性(玻恩規(guī)則)等方面。這些都是量子態(tài)結(jié)構(gòu)、演化和測(cè)量的核心。該方法的新穎之處在于:基于過(guò)去十來(lái)年在中性原子和離子囚禁方面的進(jìn)展,以實(shí)現(xiàn)彎曲時(shí)空中的新型量子探針。
該方案的未來(lái)實(shí)施將逼近現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)極限,其主要困難來(lái)源于整體糾纏態(tài)不可避免的脆弱性。其他的量子引力實(shí)驗(yàn)也面臨類(lèi)似的挑戰(zhàn)。關(guān)于量子理論基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),玻恩規(guī)則可能是最薄弱的,特別是處于引力中的情形。從樂(lè)觀的角度看,這個(gè)領(lǐng)域或許正醞釀著關(guān)于量子引力的驚喜。盡管結(jié)果未知,但這些研究無(wú)疑將深化人們對(duì)量子理論的理解,從而助力量子技術(shù)的發(fā)展。
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