‍ 引力量子—迈向''''大一统理论''''的关键一步

‍ 引力量子—迈向''''大一统理论''''的关键一步

1天前(6月11日)

量子力学认为,一切都是由量子(能量包)构成的,它们既可以表现为粒子,也可以表现为波——例如,光的量子被称为光子。探测引力子(假设的引力量子)将证明引力是量子的。问题是引力非常弱。物理学家弗里曼·戴森有一句名言:为了直接观察引力子对物质的微小影响,引力子探测器必须非常大,以至于它自身坍缩形成黑洞。

荷兰代尔夫特理工大学的量子物理学家理查德·诺特说:“量子引力理论的一个问题是,他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的主要原因,也是为什么我们没有成功地理解它实际上是如何运作的。”

然而,2015年,澳大利亚阿德莱德大学的理论物理学家詹姆斯·夸克提出了一种利用引力子的量子特性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绝对知道一个粒子的位置和动量。这种不确定性的一个后果是,真空永远不会完全是空的,而是充斥着由所谓的虚拟粒子组成的“量子泡沫”,这些粒子不断地出现或消失。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检测的力。例如,卡西米尔效应是在真空中紧密放置的两个镜子之间看到的吸引或排斥现象。这些反射表面的移动是由于虚拟光子闪烁时产生的力。之前的研究表明,超导体对引力子的反射可能比普通物质更强,因此,奎克计算出,寻找真空中两个超导体薄片之间的相互作用,可以揭示引力卡西米尔效应。由此产生的力可能比标准的基于虚拟光子的卡西米尔效应的预期力强10倍左右。

Norte和他的同事开发了一种微芯片来做这个实验。这个芯片有两个镀铝的微晶片,它们几乎被冷却到绝对零度,因此它们变成了超导。一块金属板被固定在一面可移动的镜子上,一束激光射向那面镜子。如果这些板块由于引力卡西米尔效应而移动,那么反射到镜子上的光的频率就会发生明显的变化。正如《物理评论快报》上详细报道的那样,科学家们没有发现任何引力卡西米尔效应。这个零的结果并不一定排除重力的存在,因此也不排除重力的量子性质。麻省理工学院的量子物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切克说,相反,这可能仅仅意味着引力子与超导体的相互作用不像之前的工作所估计的那样强烈。威尔切克没有参与这项研究,对其无效的结果并不感到惊讶。即便如此,奎克说,这“是探测重子的勇敢尝试”。

虽然Norte的微芯片没有发现引力是否是量子的,但是其他科学家正在寻找各种方法来发现引力量子效应。例如,2017年的两项独立研究表明,如果引力是量子,它可能会在粒子之间产生一种被称为“纠缠”的联系,因此,无论粒子位于宇宙的哪个位置,一个粒子都会瞬间影响另一个粒子。利用激光束和微观钻石在桌面上进行的实验,可能有助于寻找这种基于重力的纠缠。这些晶体将被保存在真空中,以避免与原子发生碰撞,因此它们将仅通过重力相互作用。科学家们会让这些钻石同时下落,如果引力是量子的,那么每个晶体对另一个晶体的引力就会把它们缠在一起。

研究人员将在钻石掉落后,用激光照射每颗钻石的心脏,以寻找纠缠。如果晶体中心的粒子以一种方式旋转,它们就会发出荧光,但如果它们以另一种方式旋转,它们就不会发出荧光。如果这两种晶体的自旋同步的频率比偶然性预测的要高,这就意味着纠缠。荷兰格罗宁根大学的量子引力研究员阿努帕姆·马祖姆达尔是其中一项纠缠研究的合著者,他说:“世界各地的实验主义者都很好奇地接受这个挑战。”

麻省理工学院的宇宙学家艾伦·古斯说,寻找量子引力证据的另一种策略是观察宇宙微波背景辐射,即大爆炸发出的微弱余辉。根据古斯广受支持的宇宙膨胀模型,当宇宙在大爆炸后不到一秒钟的时间里惊人地膨胀时,这些短波长就会在宇宙中扩展到更长的尺度。量子引力的这一证据可以从宇宙微波背景辐射的光子的偏振或排列中看到漩涡。

然而,这些被称为b型模式的涡旋的强度在很大程度上取决于膨胀的确切能量和时间。古斯说:“一些版本的通货膨胀预测说,这些b型模态应该很快就会被发现,而另一些版本的预测说,这些b型模态非常微弱,根本不可能探测到它们。”“但如果它们被发现,而且这些性质符合通胀预期,这将是引力被量化的非常有力的证据。”

另一种确定引力是否是量子的方法是直接观察引力波中的量子涨落,引力波被认为是由大爆炸后不久产生的引力子组成的。Guth说,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在2016年首次探测到了引力波,但它还不够灵敏,无法探测到早期宇宙中膨胀到宇宙尺度的波动引力波。威尔切克补充说,太空中的引力波观测站,如激光干涉仪太空天线(LISA),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理查德·刘(Richard Lieu)在最近被《经典与量子引力》杂志接受的一篇论文中辩称,如果LIGO携带的能量与目前一些粒子物理学模型所显示的能量相同,那么它应该已经探测到了引力子。可能引力子所携带的能量比预期的要少,但刘云平认为这也可能意味着引力子并不存在。刘云平说:“如果引力子根本不存在,这对大多数物理学家来说将是个好消息,因为我们在发展量子引力理论的过程中经历了如此可怕的时期。”

尽管如此,设计出消除引力子的理论可能并不比设计出保留它的理论容易。古斯说:“从理论的角度来看,很难想象重力如何避免被量化。”“我不知道任何关于经典引力如何与量子物质相互作用的合理理论,我也无法想象这样的理论会如何运作。”

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