中国科学家登《Science》 他们要给爱因斯坦答疑解惑

2019年09月20日 13:05 次阅读 稿源:中国科技网 条评论

中国科学技术大学潘建伟团队等国内外研究人员合作,利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行实验检验。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验。相关研究成果于北京时间9月20日在《科学》杂志上以“First Release”形式在线发表。

阿里地面站与墨子号卫星进行星地实验的场景,绿色光为卫星发射的信标光、红色为地面发射的信标光

量子力学和引力理论是现代物理学的两大支柱。他们在各自的领域都取得了巨大成功。但是任何试图将他们融合的理论工作都遇到极大困难。

在目前已知的四种基本相互作用中,电磁、弱相互作用和强相互作用都已量子化,而且已经统一。唯有关于引力作用的量子化问题一直悬而未决,解决、或对于这一问题的正确理解将有助于建立关于四种基本相互作用的大统一理论。这是物理学界包括爱因斯坦在内的众多科学家所关心的最为重要的问题之一。

实验场景,地面为了提高信号光强度,采用三台设备联合工作,照片中有两台望远镜同时向卫星发射信标光

目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论,模型众多,但都缺乏实验检验,无法验证,严重阻碍了科学的发展。一个主要的原因是因为这些理论模型的预言都只能在极端实验条件下检验,比如在极小空间尺度

10-35米,比电子半径

10-15米还小了20个数量级,或者是极高能标

1016TeV(万亿电子伏),而当前大型强子对撞机如LHC也只能将质子的能量提升至10 TeV量级,这些都远远超出目前可以到达到的实验条件。

广义相对论预言了一类奇异的时空结构,这种时空结构会出现违背因果律的行为——回到过去,如同科幻小说中的“时间机器”。而在量子引力理论中这类时空结构尤为重要,因为该结构在原则上可以由量子引力的时空几何涨落形成。

但是时间机器对因果律的破坏将引起许多逻辑悖论,为避免这一问题,美国著名物理学家Polchinski最早提出了理论解决方案。他指出,经典物体在这类时空结构中存在一种特殊、自洽的演化过程,不会产生逻辑悖论。美国物理学家Politzer和英国物理学家Deutsch等人对该理论进行了推广,研究了量子态在这类时空结构中的自洽演化行为。


用于与墨子号进行量子通信的阿里地面站望远镜

在此基础上,澳大利亚物理学家拉夫等人进一步提出了一个被称为“事件形式” (event formalism)的理论,该理论认为量子态在奇异时空和平直时空中的演化是不同的,引力可能导致量子纠缠态发生退相干现象,并预言地星之间分发的纠缠光子对会发生退相干现象。

假设在地球表面制备了一对纠缠光子对,其中一个光子穿过局域平直时空,在光源附近的地表传播;而另一个光子穿过地球引力场形成的弯曲时空,传播到卫星。依据现有的量子力学理论,所有纠缠光子对将保持纠缠特性;而依据“事件形式”理论,纠缠光子对之间的关联性则会概率性地受到损失。


实验工作者以及阿里地面站与墨子号的星地对接场景

量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台。对于地星之间的量子态分发,潘建伟团队已经开展了一系列创新性的实验研究。2016年8月16日,我国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。至2017年8月,“墨子号”圆满完成三大既定的科学目标:千公里级地星双向量子纠缠分发、地星量子密钥分发和地星量子隐形传态。

得益于“墨子号”量子科学实验卫星的前期实验工作和技术积累,本研究在国际上率先在太空开展引力诱导量子纠缠退相干实验检验,对穿越地球引力场的量子纠缠光子退相干情况展开测试。最终,通过一系列精巧的实验设计和理论分析,本次实验令人信服的排除了以往的“事件形式”理论所预言的引力导致纠缠退相干现象;在实验观测结果的基础上,该工作对之前的理论模型进行了修正和完善。修正后的理论表明,在“墨子号”现有500公里轨道高度下纠缠退相干现象将表现得比较微弱,为了进一步进行确定性的验证,未来需要在更高轨道的实验平台开展研究。


延时摄影下的阿里地面站望远镜,用于与墨子号进行量子通信

这是国际上首次在太空中利用卫星开展的关于量子力学和引力理论关系的实验研究,具有指标性、引领性意义,将极大地推动相关的理论和实验研究活动。

科学研究的一个美妙之处在于“意想不到”。

“我们可以运用标准量子力学对于这一场景做出预测,但是对于可能的实验结果持开放态度。任何‘意想不到’的结果都将预示我们对于现有量子力学、引力理论的理解需要做出重大修正。”潘建伟说道,虽然在这个实验里,在实验精度范围内没有出现“意想不到”,但是我们排除了一类引力引起的量子退相干模型。这是对于研究量子力学和引力理论关系的一个有积极意义的进展。

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