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量子力學(xué)遇上廣義相對(duì)論 “墨子號(hào)”求解世紀(jì)謎題

發(fā)布日期:2020-06-20??瀏覽次數(shù):1550
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核心提示:在西藏阿里觀測(cè)站,墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過(guò)境,科研人員在做實(shí)驗(yàn)(合成照片)。 新華社發(fā)當(dāng)量子力學(xué)遇上廣義相對(duì)論,會(huì)擦出怎樣的火花?近日,多國(guó)科研人員合作利用我國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型開展了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這是國(guó)際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試結(jié)合量子力學(xué)與
 

在西藏阿里觀測(cè)站,“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過(guò)境,科研人員在做實(shí)驗(yàn)(合成照片)。 新華社發(fā)

 

 

當(dāng)量子力學(xué)遇上廣義相對(duì)論,會(huì)擦出怎樣的火花?近日,多國(guó)科研人員合作利用我國(guó)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型開展了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這是國(guó)際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的理論開展實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),將極大推動(dòng)相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。

 

近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事聯(lián)合美國(guó)加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的科研工作人員,首次利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型開展了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。研究成果于近日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志。

 

“‘墨子號(hào)’的先進(jìn)技術(shù),促成了人類歷史上第一次成功利用量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)方式完成了量子理論和廣義相對(duì)論之間的基礎(chǔ)理論驗(yàn)證,將極大推動(dòng)相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。”潘建偉表示。

 

物理學(xué)家的“終極夢(mèng)想”

 

描述微觀世界的量子力學(xué)和闡釋引力場(chǎng)的廣義相對(duì)論,是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱,它們?cè)诟髯灶I(lǐng)域取得了巨大成功。然而,這兩大理論似乎天生是對(duì)“冤家”,無(wú)論科學(xué)家們?nèi)绾闻κ蛊淙跁?huì)貫通,始終不能“友好和平共處”:很多在廣義相對(duì)論框架下適用的物理規(guī)則,在量子領(lǐng)域就不再適用。

 

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)能否合二為一?一些試圖將其融合的理論模型陸續(xù)誕生,但都缺乏實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),無(wú)法驗(yàn)證,進(jìn)而阻礙了科學(xué)的發(fā)展。造成這一結(jié)果的主要原因是這些理論模型的預(yù)言都只能在極端實(shí)驗(yàn)條件下檢驗(yàn)。

 

條件苛刻到何種程度?論文聯(lián)合作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱舉了兩個(gè)例子:極小空間尺度10-35米,這比電子半徑還小了20個(gè)數(shù)量級(jí);或者是極高能標(biāo)1019GeV(GeV為十億電子伏特),而當(dāng)前能標(biāo)最高的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),如LHC也只能將質(zhì)子的能量提升至104GeV量級(jí)。

 

“這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前可以達(dá)到的實(shí)驗(yàn)條件,即便是在未來(lái)幾十年,科學(xué)家們也沒(méi)有找到更好的方法可以達(dá)到或接近這些條件。”陳宇翱稱。

 

困難阻擋不住科學(xué)家們探索宇宙的決心。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,物質(zhì)世界千變?nèi)f化的現(xiàn)象,歸根結(jié)底是通過(guò)目前已知的4種基本相互作用產(chǎn)生的:電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用和引力相互作用。其中,前3種力都可以在量子力學(xué)的框架下得到解釋,唯獨(dú)引力運(yùn)用量子力學(xué)無(wú)法解釋。

 

“解決或?qū)τ谶@一問(wèn)題的正確理解,將有助于建立關(guān)于4種基本相互作用的大統(tǒng)一理論。”潘建偉說(shuō)。而這也是物理學(xué)界包括愛(ài)因斯坦在內(nèi)眾多科學(xué)家的“終極夢(mèng)想”:建立一個(gè)“萬(wàn)有理論”,試圖統(tǒng)一所有尺度的物理理論。

 

“墨子號(hào)”大展拳腳

 

向著科學(xué)的高峰努力奔跑,近年來(lái),理論物理學(xué)家嘗試提出新的理論,在某個(gè)層面上將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)放入一個(gè)統(tǒng)一的理論框架中,并探討了一些在目前實(shí)際條件下可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的新機(jī)制。其中,澳大利亞物理學(xué)家拉夫提出的“事件形式”理論模型備受關(guān)注。

 

根據(jù)“事件形式”理論模型,量子態(tài)在奇異時(shí)空和平直時(shí)空中的演化是不同的,并預(yù)言地星(地球、衛(wèi)星)之間分發(fā)的糾纏光子對(duì)會(huì)發(fā)生退相干現(xiàn)象,即引力可能導(dǎo)致量子退相干效應(yīng)。

 

“換句話說(shuō),假設(shè)在地球表面制備了一對(duì)糾纏光子對(duì),其中一個(gè)光子穿過(guò)局域平直時(shí)空,在光源附近的地表傳播;而另一個(gè)光子穿過(guò)地球引力場(chǎng)形成的彎曲時(shí)空,傳播到衛(wèi)星。”陳宇翱說(shuō),依據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)理論,所有糾纏光子對(duì)將保持糾纏特性;而依據(jù)事件形式理論,糾纏光子對(duì)之間的關(guān)聯(lián)性則會(huì)概率性受到損失(量子退相干效應(yīng))。

 

什么是量子?它是能表現(xiàn)出某個(gè)物質(zhì)或物理量特性的最小單元,例如“光的量子”,也被稱為光子,指的是一定頻率的光的基本能量單位。而量子糾纏指的是兩個(gè)(或多個(gè))粒子共同組成的量子狀態(tài),科學(xué)家們認(rèn)為無(wú)論粒子之間相隔多遠(yuǎn),測(cè)量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其他粒子,這種像“心靈感應(yīng)”的神奇現(xiàn)象就是量子力學(xué)理論中的“量子糾纏現(xiàn)象”。

 

正所謂“山重水復(fù)疑無(wú)路,柳暗花明又一村”??茖W(xué)的探索亦是如此。2016年8月16日,我國(guó)發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”,此后又成功完成千公里級(jí)地星雙向量子糾纏分發(fā)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正是檢驗(yàn)“事件形式”理論的理想平臺(tái)。

 

就這樣,以潘建偉為代表的中國(guó)科學(xué)家和拉夫一起,利用我國(guó)已經(jīng)在軌的“墨子號(hào)”量子科學(xué)衛(wèi)星,共同設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案,并于最近完成了實(shí)驗(yàn)。“這是國(guó)際上首次在太空中利用衛(wèi)星開展的關(guān)于量子力學(xué)和廣義相對(duì)論關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究,具有指標(biāo)性、引領(lǐng)性意義,將極大推動(dòng)相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究活動(dòng)。”潘建偉稱。

 

“事件形式”理論模型被排除

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何?潘建偉說(shuō):“如果我們確實(shí)觀察到了這種偏差,即量子退相干效應(yīng),那就意味著‘事件形式’理論是正確的,我們必須對(duì)量子理論和廣義相對(duì)論之間的相互作用進(jìn)行實(shí)質(zhì)性修正。”

 

不過(guò),科學(xué)研究的一個(gè)美妙之處在于“意想不到”。“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果排除了這一理論模型,結(jié)果令人信服。”陳宇翱告訴記者,本次實(shí)驗(yàn)排除了“事件形式”理論所預(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象,將極大推動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。

 

不僅如此,在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們還對(duì)之前的理論模型進(jìn)行了修正和完善。修正后的理論表明,在“墨子號(hào)”現(xiàn)有500公里軌道高度下,量子糾纏退相干現(xiàn)象將表現(xiàn)得比較微弱。“實(shí)驗(yàn)結(jié)果排除了‘事件形式’較強(qiáng)的模型,結(jié)果令人信服,但修正后的理論模型是否正確仍有待檢驗(yàn)。”潘建偉表示。

 

求索永無(wú)止境。為了進(jìn)一步驗(yàn)證修正版的理論模型,需要在更高軌道的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展研究。未來(lái),潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)將發(fā)射一顆新的衛(wèi)星,預(yù)計(jì)它的軌道將比“墨子號(hào)”高20到60倍,其中一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)就是能夠在理論預(yù)言更強(qiáng)的糾纏退相干范圍內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)。

 

經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)

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