量子引力的新考验：探索万有引力的量子本质

星阁 • 2024年11月14日 11:55 • 财经

科学家们提出了一项新的测试，希望能帮助我们更深入地了解量子引力。

引力是宇宙中唯一一个不符合我们当前量子框架的主要力，因此推动了大统一物理理论的探索。

这项新测试并不是量子引力的完全证明或理解，但如果我们能够成功实施，它将是一个朝着正确方向迈出的巨大一步。

我们对宇宙的几乎所有了解都可以归结为量子力学定律。几乎所有事物都可以被描述为场（电磁力、强核力和弱核力）和物质，我们慢慢地用这些基本组成模块重建了我们对宇宙的基本理解。

也就是说，在物理学的统一、质朴的墙壁中，除了一块巨大的、霓虹绿的砖块——引力。据我们所能证明的，引力不是量子化的，尽管从理论上来说它应该是。世界上最伟大的科学头脑仍然没有对引力进行量子描述，通常简称为“量子引力”。目前最好的描述它是通过广义相对论，而经典引力与我们所知的所有量子场之间的脱节，是人们继续热烈寻找大统一物理理论的原因。我们看到引力和量子场共同作用，所以它们的规则也应该共同作用。

寻找量子引力定律的过程是缓慢的，但科学家们仍然坚持不懈，因为它将真正改变我们对一切事物的理解。根据最近发表在《物理评论快报》杂志上的一项研究，一组研究人员对于如何测试量子领域是否存在引力有了一个想法。

该提议源于这样一种想法：与其试图证明纯量子引力，我们至少可以证明纯经典引力是错误的，方法是展示这种力的测量遵循至少一条量子定律：叠加。科学家们建议创造一个微小的晶体（我们所说的尺寸只有纳米级），并将其置于叠加态——一种量子态，在这种态中，一个物体（通常是一个粒子）在被测量之前同时处于两个地方。

现在，叠加已经被用来测试量子引力，但这篇新论文的作者认为，仅仅观察这种现象是不够的。作者写道：“因为量子力学不仅由叠加原理定义，还要求进化的一元性和测量原理。”“见证纠缠[...]将意味着引力要么由量子力学描述，要么由一个服从叠加原理的（未知）非经典理论描述。为了知道引力是否真的是量子化的，我们需要测试引力的其他量子力学假设。”

所以，他们决定更进一步——但他们仍然打算从叠加态开始。一旦诱导叠加态，就要遵循两条路径。在第一条路径上，为了建立一种对照组，对叠加态中的晶体进行测量并记录其最终状态。在第二条路径上，将另一个纳米晶体带入与第一个晶体足够近的混合物中，这样这两个晶体之间应该有一个非常微弱的引力。从理论上讲，第二个晶体的引力应该会被叠加态中的第一个晶体感觉到。根据《自然》杂志上的一篇研究亮点文章，这种行为“将有效地‘测量’第一个[晶体]的质量”。然后，研究人员将再次测量第一个晶体，看看它的最终状态是否与在第二个晶体介入之前测量的状态不同——一种被称为“量子测量引起的扰动”现象引起的效应，它只会在量子效应起作用时发生。

据《自然》杂志报道，如果状态确实不同，这将是“引力确实具有量子性质的第一个证据”。它很复杂，从未做过，它极具前沿性，并且（至关重要的是）它并不是我们最终希望破译的量子引力完整理论。正如作者在论文中写到的，“将这一测试添加到[对叠加对引力的影响的现有测试中]将使我们更全面地证明引力作为一个量子实体。”

但是，如果它成功，那将是一个很好的下一步。让我们期待成功。

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