量子力學(xué)遇上廣義相對(duì)論

在西藏阿里觀測(cè)站，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)。

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?！迸私▊ケ硎?。

1 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，即便是在未來幾十年，科學(xué)家們也沒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)無法解釋。

“解決或?qū)τ谶@一問題的正確理解，將有助于建立關(guān)于4種基本相互作用的大統(tǒng)一理論?！迸私▊フf。而這也是物理學(xué)界包括愛因斯坦在內(nèi)眾多科學(xué)家的“終極夢(mèng)想”：建立一個(gè)“萬有理論”，試圖統(tǒng)一所有尺度的物理理論。

2 “墨子號(hào)”大展拳腳

近年來，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，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)光子穿過地球引力場(chǎng)形成的彎曲時(shí)空，傳播到衛(wèi)星?！标愑畎空f，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。

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)。

3 “事件形式”理論模型被排除

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何？潘建偉說：“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?！辈贿^，科學(xué)研究的一個(gè)美妙之處在于“意想不到”?！拔覀兊膶?shí)驗(yàn)結(jié)果排除了這一理論模型，結(jié)果令人信服。”陳宇翱告訴筆者，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?！皩?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)?！迸私▊ケ硎?。

求索永無止境。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，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)。