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本文来自微信民众号:原理(ID:principia1687),作者:NIST,原文题目:《引力是量子力吗?》,题图来自:《地心引力》


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引力、强力、弱力、电磁力,是自然界中已知的四种基本力,它们在差其余尺度上各司其职,支配着宇宙万物的运行。


一百多年前,爱因斯坦提出的广义相对论将引力形貌为时空的曲率,注释了许多引力征象。然而,当我们谈及黑洞的中央和宇宙大爆炸时,它就失效了。在最细小的尺度,我们所需要的是量子力学。


除了引力之外,其它三种基本力都与量子理论优越地连系在一起,乐成地形貌着最细小尺度上的宇宙。然而,在已往的80多年里,包罗爱因斯坦在内的一代又一代卓越的物理学家,都在试图将量子理论与引力统一起来,可至今仍没有人乐成。


一直以来,这样一个问题一直萦绕在物理学家的心头:引力是一种量子力吗?现在,美国国家尺度与手艺研究院(NIST)的研究职员提出了一项可能有助于解决这个问题的实验。


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这个实验行使了量子理论中的两个最新鲜的性子——叠加和纠缠


凭证叠加原理,一个未受扰动的原子可以被形貌为一种波,它具有一定概率可以同时泛起在两个地方。例如,当一个未受滋扰的原子穿过一个有两个狭缝的区域时,它并不是通过其中一个狭缝,而是同时通过两个狭缝。由于原子是用波来形貌的,以是通过一个狭缝的部门会与通过另一个狭缝的部门相互过问,发生一种明暗相间的条纹图案。明亮的条纹对应于两个波的波峰和波谷对齐的区域,因此它们叠加在一起发生了相长过问;而暗的条纹对应于两波的波峰和波谷相互抵消的区域,发生了相消过问。


纠缠是另一种奇异的量子征象,拥有这种特征的两个粒子能够以某种方式慎密地联系在一起,以至于它们显示得就像一个单一的实体。丈量其中一种粒子的特征,能够自动地迫使另一个粒子具有与其互补的特征,纵然这两个粒子之间相距数个星系之远。


在量子引力理论中,两个大质量物体间的相互吸引是通过一种被称为引力子的设想粒子转达的。引力子在引力中所起到的作用,就犹如光子在两个带电粒子之间转达电磁力一样。因此,若是引力子真的存在,它应该能够“毗邻”,或者说“纠缠”两个大质量物体的性子,就像光子能够“纠缠”两个带电粒子的性子一样。在新的研究中,研究职员就提出了一个巧妙的测试方式,可用来磨练两个大质量物体是否可以由引力发生纠缠。


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在新的设计中,实验将接纳困在原子过问仪中的冷原子云。过问仪有两个臂——一个左臂和一个右臂。凭证叠加原理,若是原子云中的每个原子都处于纯粹的、未受滋扰的量子态,那么它可以被形貌为是一个同时占有了两个臂的波。当波的两个部门——一部门来自左臂,一部门来自右臂——重新组适时,就能发生一个过问图样。这种过问图样能显示出由任何力——如引力——所导致的发生在路径上的转变。


在过问仪的外面,将一个小小的有质量的物体悬挂形成一个摆,并让这个物体的初始运动状态为静止状态。可想而知,悬挂的质量和原子会通过引力相互吸引。


设想一下,若是引力子真的存在,引力子间的相互作用也会导致纠缠,那会情形会是什么样?


悬挂着的物体将变得与原子的一个特定位置相关——要么是过问仪的右臂,要么是左臂。云云一来,这个物体会最先向左或向右摆动。若是原子位于左边,摆就会最先向左摆动;若是原子位于右边,摆就会最先向右摆动。也就是说,引力将“原子在过问仪中的位置”与“摆最先摆动的偏向”纠缠在了一起。


位置的纠缠意味着摆已经有用地对原子的位置举行了丈量,将原子准确地定位到过问仪中的一个特定位置。由于原子不再处于同时处在两个臂中的叠加状态,过问图样就会消逝或者削弱。


 (1)在原子过问仪中,原子的波函数被分成左臂和右臂,然后左臂和右臂的波会重新连系,发生过问图样;(2)在实验最先之初,原子的波函数是不受摆的影响的,这意味着原子的两臂完全相互过问;(3)若是引力确实导致了原子和摆之间的纠缠,那么摆就会部门地丈量原子的位置,将它集中在两个臂中的其中一个上;(4)在每经由半个振荡周期后,摆就会回到它的起始点,失去它所缔造的引力纠缠的所有影象,恢复过问图样。| 图片泉源:S. Kelley/NIST


当摆动的物体经由半个周期的振荡,回到起点之时,它就失去了它所缔造的引力纠缠的所有“影象”。这是由于无论摆的摆动偏向为何,它都返回到了相同的起始位置——若是最初向右摆动,它就为原子在过问仪的右臂挑选出一出一个准确的位置;若是最初向左摆动,它就为原子在过问仪的左臂挑出一个准确的位置。当它回到起始位置时,它为原子在左臂或右臂上选择一个位置的可能性是相同的。在那一刻,物体和原子之间的纠缠被消除,原子过问图样重新泛起。


再过半个周期,当摆再向某一边摆动时,纠缠就会重新确立,过问图样再次削弱。随着摆的往返摆动,就会重复泛起“过问图样的泛起、削弱、泛起”的循环模式。研究职员以为,过问的消逝和恢复,就是证实纠缠存在简直凿证据。除了引力纠缠,其他任何征象都难以发生这样的循环。


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虽然从现实操作的角度来看,完善地实现这样的实验可能需要十年或更长的时间,但开端版本或许能在几年内就能完成。好比研究职员可以行使种种“捷径”,来让观察变得加倍容易。其中最大的捷径就是——去接受这样的假设,就像爱因斯坦的广义相对论一样,无论你什么时刻最先实验,都应该获得相同的效果。研究职员指出,这项实验的乐成必须要将所有非引力的量子纠缠思量在内,这需要仔细的设计和丈量才气清扫。


#参考泉源:

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/08/exploring-quantum-gravity-whom-pendulum-swings

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.030330


本文来自微信民众号:原理(ID:principia1687),作者:NIST

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    2021-10-18 00:02:44 

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