在彎曲時空中檢驗量子理論

北京大學 徐仁新 編譯自 Djordje Minic.

Physics

本文選自《物理》2025年第9期

近期提議的一項實驗或可揭示量子論和廣義相對論之間未知的關聯。

雖然誕生于一百年前的量子論如今取得了巨大成功，但仍存在一個明顯的疑問：物質的屬性是量子化的，而由物質的存在所確定的時空卻似乎是連續的；這會導致若干深刻問題。時空是否具有不可分割的量子單元？當然這些單元或許不像物質那樣一步一步地可分割。若如此，時空量子是否具有可觀測的特征并牽連到其他物理領域？為此，美國伊利諾伊大學的Covey及其同事給出一個解決方案，涉及地球周圍彎曲時空中量子態屬性的測量。

這個方案跟量子引力有關，即如何將量子論和廣義相對論邏輯一致地統一起來。不少學者認為這是物理學最重要的疑難之一(當然，也有人認為引力就不該量子化，量子引力概念可能根本上是誤導的)。跟蓬勃發展的量子理論和應用領域相比，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，量子引力具有推測性，缺乏經驗性，只能通過已知的量子論和廣義相對論來約束。

物理學家在20世紀50年代就提出量子引力的實驗檢驗，但大多是不切實際的。近幾年來，人們開始嚴肅地對待這些想法，并兼顧了量子光學、引力干涉和多信使天文等技術的快速發展。他們研究了量子引力的若干可能表現，包括引力誘導的量子糾纏、引力干涉時的量子時空漲落，以及引力場三階以上的內稟量子干涉效應。(注意：在量子引力理論中才會有這類干涉效應。) Covey等的研究就屬于這一新興領域。

理論上，在超越牛頓力學描述的極限時，可以探索彎曲時空中的量子效應。Covey等希望設計一個實驗，以獲取量子論在該特殊情形下成立的經驗，探索后牛頓彎曲時空中的量子行為。團隊也意識到一個現實的挑戰：量子效應在特定空間尺度范圍內的表現極其微弱。

Covey及其同事認為，可以利用相距較遠的三個原子鐘來探究彎曲時空中的量子理論

為此，Covey等提議在地球引力場中構建相距較遠的、對后牛頓彎曲時空敏感的量子態。具體而言，他們考慮在相距幾公里的不同高度上放置三個光學原子鐘系統，如圖所示。通過在每個時鐘中編碼信號來實現離域，但整個系統組成一個糾纏態。整個狀態的性質依賴固有時的差異，因而跟三個原子鐘所處的時空曲率相關。

Covey等討論了如何通過實驗探索彎曲時空中的量子理論，包括理論的線性、幺正性和概率性(玻恩規則)等方面。這些都是量子態結構、演化和測量的核心。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展，以實現彎曲時空中的新型量子探針。

該方案的未來實施將逼近現有實驗極限，其主要困難來源于整體糾纏態不可避免的脆弱性。其他的量子引力實驗也面臨類似的挑戰。關于量子理論基本原理的實驗檢驗，玻恩規則可能是最薄弱的，特別是處于引力中的情形。從樂觀的角度看，這個領域或許正醞釀著關于量子引力的驚喜。盡管結果未知，但這些研究無疑將深化人們對量子理論的理解，從而助力量子技術的發展。

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