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中國科學家再登《科學》雜志,他們要給愛因斯坦答疑解惑
2019-09-20
科技日報

  中國科學技術大學潘建偉團隊等國內外研究人員合作,利用“墨子號”量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗。相關研究成果于北京時間9月20日在《科學》雜志上以“First Release”形式在線發表。

  量子力學和引力理論是現代物理學的兩大支柱。他們在各自的領域都取得了巨大成功。但是任何試圖將他們融合的理論工作都遇到極大困難。

  在目前已知的四種基本相互作用中,電磁、弱相互作用和強相互作用都已量子化,而且已經統一。唯有關于引力作用的量子化問題一直懸而未決,解決、或對于這一問題的正確理解將有助于建立關于四種基本相互作用的大統一理論。這是物理學界包括愛因斯坦在內的眾多科學家所關心的最為重要的問題之一。

  目前關于如何融合量子力學和引力理論的討論,模型眾多,但都缺乏實驗檢驗,無法驗證,嚴重阻礙了科學的發展。一個主要的原因是因為這些理論模型的預言都只能在極端實驗條件下檢驗,比如在極小空間尺度10-35米,比電子半徑10-15米還小了20個數量級,或者是極高能標1016TeV(萬億電子伏),而當前大型強子對撞機如LHC也只能將質子的能量提升至10 TeV量級,這些都遠遠超出目前可以到達到的實驗條件。

  廣義相對論預言了一類奇異的時空結構,這種時空結構會出現違背因果律的行為——回到過去,如同科幻小說中的“時間機器”。而在量子引力理論中這類時空結構尤為重要,因為該結構在原則上可以由量子引力的時空幾何漲落形成。

  但是時間機器對因果律的破壞將引起許多邏輯悖論,為避免這一問題,美國著名物理學家Polchinski最早提出了理論解決方案。他指出,經典物體在這類時空結構中存在一種特殊、自洽的演化過程,不會產生邏輯悖論。美國物理學家Politzer和英國物理學家Deutsch等人對該理論進行了推廣,研究了量子態在這類時空結構中的自洽演化行為。

  在此基礎上,澳大利亞物理學家拉夫等人進一步提出了一個被稱為“事件形式” (event formalism)的理論,該理論認為量子態在奇異時空和平直時空中的演化是不同的,引力可能導致量子糾纏態發生退相干現象,并預言地星之間分發的糾纏光子對會發生退相干現象。

  假設在地球表面制備了一對糾纏光子對,其中一個光子穿過局域平直時空,在光源附近的地表傳播;而另一個光子穿過地球引力場形成的彎曲時空,傳播到衛星。依據現有的量子力學理論,所有糾纏光子對將保持糾纏特性;而依據“事件形式”理論,糾纏光子對之間的關聯性則會概率性地受到損失。

  量子科學實驗衛星正是檢驗這一理論的理想平臺。對于地星之間的量子態分發,潘建偉團隊已經開展了一系列創新性的實驗研究。2016年8月16日,我國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。至2017年8月,“墨子號”圓滿完成三大既定的科學目標:千公里級地星雙向量子糾纏分發、地星量子密鑰分發和地星量子隱形傳態。

  得益于“墨子號”量子科學實驗衛星的前期實驗工作和技術積累,本研究在國際上率先在太空開展引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗,對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況展開測試。最終,通過一系列精巧的實驗設計和理論分析,本次實驗令人信服的排除了以往的“事件形式”理論所預言的引力導致糾纏退相干現象;在實驗觀測結果的基礎上,該工作對之前的理論模型進行了修正和完善。修正后的理論表明,在“墨子號”現有500公里軌道高度下糾纏退相干現象將表現得比較微弱,為了進一步進行確定性的驗證,未來需要在更高軌道的實驗平臺開展研究。

  這是國際上首次在太空中利用衛星開展的關于量子力學和引力理論關系的實驗研究,具有指標性、引領性意義,將極大地推動相關的理論和實驗研究活動。

  科學研究的一個美妙之處在于“意想不到”。

  “我們可以運用標準量子力學對于這一場景做出預測,但是對于可能的實驗結果持開放態度。任何‘意想不到’的結果都將預示我們對于現有量子力學、引力理論的理解需要做出重大修正?!迸私▊フf道,雖然在這個實驗里,在實驗精度范圍內沒有出現“意想不到”,但是我們排除了一類引力引起的量子退相干模型。這是對于研究量子力學和引力理論關系的一個有積極意義的進展。

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