量子引力存在嗎?一項新的實驗加深了這個謎團
一項新發現表明,引力場可以使物質變得量子糾纏——即使量子引力的概念不存在。這個想法來自倫敦的兩位物理學家,他們正在挑戰我們對量子場和經典引力如何運作的思考方式。
搜尋 量子引力 這是物理學的下一個重大進步,因為研究人員尋求將非常小的物理學與非常大的物理學統一起來。量子力學解釋了前者,而廣義相對論(著名地描述了引力如何運作)則解釋了後者。量子物理學和量子理論 廣義相對論 它們是 20 世紀前 25 年的產物,但 100 年後,科學家們仍然不知道如何將兩者放在一起。就目前情況而言,這些理論相互矛盾。
事實上,倫敦大學皇家霍洛威學院的約瑟夫·阿齊茲和理查德·豪爾的新發現肯定會讓事情變得複雜。他們的工作基於著名物理學家理查德·費曼 (Richard Feynman) 於 1957 年首次提出的思想實驗,該實驗涉及將一個物體(比如蘋果)置於量子糾纏中。
要理解疊加,請考慮構成粒子量子態的屬性,例如其位置、動量、電荷或量子自旋。這些屬性中的每一個的值本質上都是概率性的,並且這種概率分佈由波來描述,波峰代表最高概率。當不同輸出的波函數相互重疊時,就會發生疊加。
費曼的思想實驗會將那個假設的蘋果的位置置於疊加狀態,換句話說,它會同時存在於兩個地方,直到被觀察到。一旦被觀察到,它的波函數就會崩潰。然後,第二個蘋果將被插入到費曼的實驗中,如果處於量子疊加狀態的第一個蘋果與第二個物體發生引力相互作用,即使第一個蘋果的疊加態崩潰了,費曼認為這將是量子引力起作用的標誌。
“當費曼提出這個想法時,原則上你可以將一個質量疊加在兩個地方,然後看看它的引力場是否也處於量子疊加態,他相信這意味著引力是量子的,”哈爾告訴 Space.com。
這個思想實驗的現代處理解釋了兩個物體在製造時之間的聯繫 糾纏量子。這意味著物體的量子特性彼此之間有著千絲萬縷的聯繫,以至於一個物體的變化將引發另一個物體的變化——無論它們相距多遠。 阿爾伯特·愛因斯坦 將量子糾纏稱為“幽靈般的超距作用”。
然而,阿齊茲和哈爾現在已經證明,即使沒有量子引力,糾纏也可能發生。
很大的矛盾
愛因斯坦將引力描述為時空的曲率(空間和時間的四維統一)。然而,量子物理存在一個問題。
此外,在量子引力中,引力場的糾纏將由“虛擬引力子”介導。這些實際上並不存在,被描述為“虛擬”,但在量子物理學的奇怪世界中,不存在的粒子被允許存在很短的時間。
哈爾和阿齊茲表明,如果引力不是量子的,它仍然可能與本身可以用量子場論描述的物質相混淆。經典引力場與構成兩個物體的量子物質場相互作用,這種準糾纏是由虛粒子介導的。基本上,阿齊茲和哈爾引入了虛擬原子。
哈爾說:“人們普遍認為,要使引力相互作用發生糾纏,引力場必須是量子力學的,這樣它才能處於量子疊加態。” “我們試圖論證的是,你可以認為引力相互作用比僅僅介導引力場更普遍,並且可以存在與之相關的量子過程、虛擬物質過程,在這種情況下,即使引力場是經典的,引力相互作用仍然可以糾纏物質。”
哈爾說,他與阿齊茲的合作並不排除量子引力,也不意味著量子引力無法與這種準糾纏區分開來。他們的發現表明,經典引力對物質糾纏的影響比量子引力要小得多。
“如果你看到大規模的影響,那麼你就知道這是量子引力,”哈爾說。
這些效應表現為粒子或物體之間的相關性。例如,假設您有一個量子自旋為 1/2 的粒子(描述為“向上”)和另一個量子自旋為 –1/2 的粒子(描述為“向下”),並且這兩個粒子彼此處於量子糾纏狀態。強相關性意味著,如果您知道其中一個粒子的自旋向上,那麼您會自動知道另一個粒子的自旋向下,而無需測量它。
另一方面,在經典的引力情況下,這種相關性變得更弱。這是一個概率問題——在重複實驗中測量另一個粒子的自旋,它不會像量子引力在糾纏中起作用時那樣頻繁地下降。
目前,阿齊茲和哈爾的工作以及費曼最初的思想實驗都是數學論文。該實驗可以在現實生活中進行嗎?
“是否能做到這一點仍然是一個懸而未決的問題,”哈爾說。 “沒有什麼可以說理論上你不能做到這一點,英國、奧地利和其他地方的人們也在研究它,但你必須消除所有的退相干(會導致覆蓋層崩潰的東西),這是一個極其困難的挑戰。”
即使引力是量子的——並不是每個人都認為它必然是量子的,例如倫敦大學學院的喬納森·奧本海姆在 2023 年發表了一個將經典廣義相對論與量子場論相結合的模型——阿齊茲和哈爾的發現可能會告訴我們一些關於經典引力如何表現的新東西。
哈爾還預測團隊的想法將會遭到抵制。 “不知道大家會不會同意我們的看法!”他說。不過,他樂觀地認為,在未來幾十年內,費曼的實驗最終可以進行,並為量子引力是否真實提供真正的檢驗。
阿齊茲和哈爾的研究成果於 10 月 22 日發表在期刊上 自然。