狩猎时空波动的实验可将万有引力理论与量子力学融为一体

发布时间: 2023-12-05 17:56:11 来源: 196世界之最 栏目: 新奇科技 点击: 5

统一的万有理论是物理学的圣杯,但万有引力却拒绝参与其中。现在,一种新提出的理论试图将爱因斯坦的万有引力理论与量子力学统一起来--更重要的是,它勾勒出了一种实验测试的方法。在过去的一个多世纪里,量子物理...

统一的万有理论是物理学的圣杯,但万有引力却拒绝参与其中。现在,一种新提出的理论试图将爱因斯坦的万有引力理论与量子力学统一起来--更重要的是,它勾勒出了一种实验测试的方法。

狩猎时空波动的实验可将万有引力理论与量子力学融为一体

在过去的一个多世纪里,量子物理学在描述粒子和原子的微观世界方面做www.196nk.cn得非常出色。它涵盖了宇宙四种基本力中的三种--电磁力、强核力和弱核力。但是,尽管有一些最聪明的人在研究,科学家们就是无法引入第四根支柱:万有引力。

迄今为止,描述万有引力最精确的模型仍然是爱因斯坦的广义相对论。该理论指出,我们所感受和观察到的万有引力是时空结构和静止在其上的质量的一种副作用。把它想象成一个蹦床垫子,上面坐着一个保龄球--球的重量在垫子上产生了一个凹陷。在宇宙中,"垫子"是时空,"保龄球"是恒星等大质量天体。如www.196nk.cn果你在垫子上放一个较小的球,它就会沿着凹陷处滚向较大的球,这与我们体验重力的方式类似。或者,如果你以足够的速度滚动网球,它就会以类似于地球绕太阳运行的方式绕着那个凹陷处滚动。

狩猎时空波动的实验可将万有引力理论与量子力学融为一体

此图将时空描绘成一个"垫子",展示了物体的质量如何导致时空弯曲成"凹陷"--质量越大,凹陷越深 ESA-C.Carreau

在过去的 100 年里,这一引力理论基本上经受住了科学家们的所有考验。事实上,不断有新的发现证实了它的预测,比如 2015 年对引力波的探测。

问题是,这个故事与其他三种基本力的关系并不融洽。每一种基本力都可以用量子力学进行相当简洁的描述,相互作用由特定的力载体粒子介导。例如,光子就是电磁力的载体粒子。因此,科学家们对"量子引力"的理论进行了研究,并寻找其假定的载体粒子(被称为"引力子"),但迄今为止所有实验都一无所获。

时空本身也需要被"量子化",或分解成各个组成部分。这正是臭名昭著的弦理论所要做的,目前被认为是领跑者的环量子引力也是如此。但同样,这两个概念似乎都不像爱因斯坦的理论那么契合。

伦敦大学学院(UCL)的乔纳森196世界之最-奥本海姆(Jonathan Oppenheim)教授在一项新研究中采取了相反的观点--他提出,时空毕竟遵循经典物理学,而需要修改的是量子理论。他称之为196世界之最"经典引力的后量子理论"。

从本质上讲,奥本海姆将经典系统和量子系统耦合在一起,保留了每个系统。因此,举例来说,经典系统仍然可以防止比光速更快的信号传递,而不确定性原理在量子系统中仍然不会被违反。爱因斯坦喜欢一切都具有确定性--也就是说,如果你掌握了一个系统的足够信息,你就可以利用它当前的状态,推算出它过去或未来的任何特定状态。奥本海姆的混合理论并非如此--相反,你只能计算出特定状态在未来出现的概率。

该理论确实预言了一些有趣的事情,可能会引起许多物理学家的反感。例如,它发现黑洞可以破坏量子信息--这在量子理论中被认为是不可能的,可能足以让一些人彻底否定整个理论。

狩猎时空波动的实验可将万有引力理论与量子力学融为一体

通过精确称量质量寻找时空波动的实验的艺术印象 艾萨克-杨

但重要的是,我们有办法检验这种经典引力的后量子理论。如果时空是经典的,那么它就会发生随机波动,进而使物体的质量随时间发生微小的变化。研究小组建议的一项实验是,非常精确地测量一个物体--比如国际千克原型--可以揭示http://www.196nk.cn时空是经典的还是量子的。

这项研究的合著者扎克-韦勒-戴维斯(Zach Weller-Davies)说:"在量子引力和经典引力中,时空必定在我们周围发生剧烈的随机波动,但这种波动的尺度我们还无法探测到。但如果时空是经典的,那么波动就必须大于一定的尺度,而这个尺度可以通过另一个实验来确定,我们可以在这个实验中测试我们能让重原子在两个不同位置叠加多长时间。"

新理论很可能不会马上被广泛接受,如果有的话,但它至少为引力和时空提供了一种有趣的新思维方式。这些实验可能很快就会排除它,让它加入历史上那些古怪科学思想的巨大坟场--也可能证明它和爱因斯坦的理论一样具有根基性。

这项研究发表在两篇论文中,一篇发表在《物理评论 X》上,另一篇发表在《自然-通讯》上。

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