在彎曲時(shí)空中檢驗(yàn)量子理論

北京大學(xué) 徐仁新 編譯自 Djordje Minic.

Physics

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：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，涉及地球周圍彎曲時(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。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，只能通過已知的量子論和廣義相對(duì)論來約束。

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，人們開始嚴(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。

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。通過在每個(gè)時(shí)鐘中編碼信號(hào)來實(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等討論了如何通過實(shí)驗(yàn)探索彎曲時(shí)空中的量子理論，包括理論的線性、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：基于過去十來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。

該方案的未來實(shí)施將逼近現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)極限，其主要困難來源于整體糾纏態(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。

《物理》50年精選文章