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万物理论的最后一块拼图?将引力与量子力学统一,连爱因斯坦都没有做到

2018-08-21 11:25:55 来源: 前瞻网 作者:
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艺术家对中子星合并产生的引力波的再现。原始宇宙是引力波的另一个来源,如果引力波能被探测到,那么这个发现就能帮助物理学家设计出一种量子引力理论。

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艺术家对中子星合并产生的引力波的再现。原始宇宙是引力波的另一个来源,如果引力波能被探测到,那么这个发现就能帮助物理学家设计出一种量子引力理论。

宇宙中所有的基本力都遵循量子力学的定律,除了引力。找到一种将引力融入量子力学的方法,将使科学家向“万物理论”迈进一大步。“万物理论”可以从基本原理上完全解释宇宙的运行。在探索引力是否为量子的过程中,关键的第一步是探测长期以来假设的引力基本粒子,引力子。在对引力子的寻找中,物理学家现在转向了涉及微观超导体、自由下落晶体和大爆炸余辉的实验。

量子力学认为所有的东西都是由量子组成的,或者说由能量包组成,它们的行为既像粒子又像波,例如,光的量子被称为光子。探测引力子,一种假设的引力量子,将证明引力是由量子组成的。问题是引力特别弱。物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)曾提出过一个著名的观点,想要直接观察引力子对物质产生的极其微小的影响,那么引力子探测器的质量必须非常大,大到以至于它自己会坍缩,形成一个黑洞。

荷兰代尔夫特理工大学的量子物理学家Richard Norte说:“量子引力理论的一个问题是,它们的预测通常几乎不可能通过实验来验证,这就是为什么存在这么多相互竞争的理论,这也是为什么我们在理解它的实际工作原理方面没有取得成功的主要原因。”

然而,澳大利亚阿德莱德大学的现任理论物理学家James Quach在2015年提出了一种利用量子性质来探测引力子的方法。量子力学表明宇宙本质上是模糊的,例如,一个人永远不可能同时知道一个粒子的位置和动量。这种不确定性的其中一个后果是,真空永远不会完全是空的,而是其中有一种所谓的虚拟粒子的“量子泡沫”,这种“量子泡沫”不断地出现和消失。这些幽灵般的实体可能是任何一种量子,包括引力子。

几十年前,科学家发现虚拟粒子可以产生可探测的力。例如,卡西米尔效应是在真空中放置在一起的两面镜子之间所看到的吸引或排斥现象。这些镜子反射表面的运动是由虚光子产生的力引起的。先前的研究表明,超导体对引力子的反映可能比普通物质更强烈,因此Quach计算出,在真空中寻找两个超导体薄片之间的相互作用可以揭示一种引力的卡西米尔效应,效应产生的力可能比标准的基于虚拟光子的卡西米尔效应所预期的力大10倍。

最近,Norte和他的同事开发了一种微型芯片来进行这个实验。这个芯片容纳了两个微铝涂层板,它们被冷却到接近绝对零度,从而成为超导材料。一块平板连着一面可移动的镜子,激光射向那面镜子。如果板块因为引力卡西米尔效应而移动,那么从镜子反射出去的光的频率就会发生可测量的位移。正如7月20日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)网络版上的详细资料所示,科学家们没有发现任何引力卡西米尔效应。这个空头结果并不一定排除了引力子的存在和引力的量子性质。麻省理工学院的量子物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克•维尔切克(Frank Wilczek)表示,更确切地说,这可能只是意味着,引力子与超导体的相互作用并不像先前的研究估计的那么强。Wilczek没有参与这项研究,但是他对其研究的无效结果并不感到意外。即便如此,Quach说,这是“探测引力子的勇敢尝试”。

虽然Norte的微芯片没有发现引力是否为量子,但其他科学家正在寻找各种方法来寻找引力量子效应。例如,在2017年,两项独立研究表明,如果引力是量子,它可能会在粒子之间产生一种被称为“量子纠缠”的联系,这样一个粒子就会瞬间影响到另一个粒子,无论它们位于宇宙的哪个位置。利用激光束和微观钻石进行桌面实验可能有助于寻找这种基于引力的纠缠。这些钻石晶体将被保存在真空中,以避免与原子碰撞,这样它们只可以单独通过引力相互作用。科学家们会让这些钻石同时掉落,如果引力是量子的话,每个晶体对另一个晶体发出的引力会使它们纠缠在一起。

研究人员会在钻石下落后,用激光照射每颗钻石的心脏来寻找纠缠。如果晶体中心的粒子朝一个方向旋转,它们就会发出荧光,但如果它们朝另一个方向旋转,它们就不会发出荧光。

如果两个晶体的自旋同步的概率超过了偶然的概率,这就意味着产生了量子纠缠。来自荷兰格罗宁根大学的量子引力研究员Anupam Mazumdar说:“世界各地的实验者都很想接受这个挑战。”

麻省理工学院量子物理学家艾伦•古斯(Alan Guth)表示,寻找量子引力证据的另一个策略是观察宇宙微波背景辐射,即宇宙大爆炸微弱的余辉。当宇宙在大爆炸后的一秒钟内以惊人的速度膨胀时,根据Guth被广泛支持的宇宙膨胀模型,这些短波长的波长会在整个宇宙中延伸到更远。量子引力的证据,可以以宇宙微波背景辐射里光子偏振或排列中的漩涡这种形式被看到。

然而,这些被称为b模式的漩涡的强度在很大程度上取决于膨胀的确切能量和时间。Guth说:“一些版本的膨胀预测表明,这些b模式很快就会被发现,而另一些版本则预测说,b模式非常弱,根本就没有可能探测到它们。但如果它们被发现了,而且它们的性质符合膨胀预期的话,那对证明引力是量子化的这个假设来说将会是非常有力的证据。”

另一个查实引力是否为量子的方法是直接观察引力波中是否存在量子波动,引力波被认为是由大爆炸后不久产生的引力子组成。激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在2016年首次探测到引力波,但是它对探测早期宇宙中膨胀到宇宙尺度的波动引力波来说还不够敏感,Guth说。Wilczek补充说,太空中的引力波观测站,如激光干涉太空天线(LISA),则有可能探测到这些波。

然而,阿拉巴马大学亨茨维尔分校的天体物理学家Richard Lieu最近在《经典与量子引力》(Classical and Quantum Gravity)杂志上发表的一篇论文中指出,如果引力子所携带的能量与目前粒子物理模型所显示的一样多,那么LIGO早就应该已经探测到了引力子才对。这可能是因为引力子的能量比预期的要少,但Lieu认为这也可能意味着引力子并不存在:“如果引力子根本不存在,对大多数物理学家来说,这将是一个好消息,因为我们在发展量子引力理论方面正在经历一段黑暗的时期。”

然而,设计消除引力子的理论可能并不比设计保持引力子的理论容易。Guth认为:“从理论角度来看,很难想象引力可以避免被量子化,我并不知道任何表明量子物质可以与经典力学理论相互作用的合理理论,我想象不了这样的理论会站得住脚。”

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