2019-06-12 由 老胡說科學 發表于科學

重力曲線圍繞大型物體的空間和時間。當這些物體被放入量子疊加時會發生什麼，導致時空以兩種不同的方式彎曲？ 它開始時就像教科書上的物理實驗一樣，把一個球拴在彈簧上。如果一個光子擊中了這個球，這種衝擊會使它非常輕微地振盪。但有個問題。在到達球之前，光子會遇到一面半鍍銀的鏡子，鏡子會反射一半射向它的光，讓另一半通過。 接下來會發生什麼，取決於兩種久經考驗但相互矛盾的理論中哪一種是正確的：量子力學還是愛因斯坦的廣義相對論；它們分別描述了宇宙的小尺度和大尺度性質。 在一種稱為「疊加」的奇特量子力學效應中，光子同時穿過鏡子，並從鏡子上向後反射；然後它既擊球又不擊球。如果量子力學在宏觀層面起作用，那麼球將開始振盪並保持靜止，進入兩種狀態的疊加。因為球有質量，它的重力場也會分裂成疊加。 但是根據廣義相對論，重力扭曲了球周圍的空間和時間。這個理論不能容忍空間和時間以兩種不同的方式扭曲，這會破壞疊加的穩定性，迫使球採用一種狀態或另一種狀態。

知道球發生了什麼,可以幫助物理學家解決量子力學和廣義相對論之間的衝突。但這樣的實驗長期以來一直被認為是不可行的：只有光子大小的實體才能被置於量子疊加態，只有球大小的物體才有可探測到的引力場。量子力學和廣義相對論在完全不同的領域占據主導地位，而且它們似乎只在密度極大、量子大小的黑洞中聚合。在實驗室里，正如物理學家弗里曼戴森在2004年所寫的那樣，「他們的預測之間的任何差異在物理上都無法檢測到。]這種普遍持有的觀點已經開始改變。

在新的精密儀器和間接探測難以察覺效應的巧妙方法的幫助下，實驗人員現在正採取步驟，在光子和球這樣的實驗中，研究量子力學和廣義相對論之間的聯繫。新的實驗可能性正在重新激發80年來對量子引力理論的探索。

在量子力學與引力的最後決戰中，我們對時空的理解將徹底改變。英屬哥倫比亞大學的理論物理學家菲利普·斯坦普說：「所有物理學中最大的一個問題是如何調和重力和量子力學。」「突然之間，很明顯有一個目標。」 理論家們正在思考這些實驗可能會如何進行，以及每一個結果對於一個更完整的理論意味著什麼，這個理論將量子力學和廣義相對論結合起來。斯坦普說：「他們都沒有失敗過。「他們不相容的。如果實驗能夠解決這種衝突，那將是一件大事。」

量子特性

在量子尺度上，基本粒子有一定的概率存在於每一個位置，而不是像球那樣「在這裡」或「那裡」。這些概率就像一個波的波峰，經常在空間中延伸。例如，當一個光子在屏幕上遇到兩個相鄰的狹縫時，它通過其中一個狹縫的機率為50%。與這兩條路徑相關的概率峰值在屏幕的遠端相遇，產生了光和暗的干涉條紋。這些條紋證明光子存在於兩個軌道的疊加中。 但是量子疊加是很微妙的。當一個粒子與環境發生疊加作用時，它似乎會坍縮成一個確定的「這裡」或「那裡」的狀態。「現代理論和實驗表明，這種被稱為環境退相干的效應的發生，是因為疊加作用會泄漏出來，包裹住粒子所遇到的一切。一旦泄露，疊加迅速擴大到包括試圖研究它的物理學家，或試圖利用它建造量子計算機的工程師。從內部看，現實的眾多疊加版本中只有一個是可以被感知的。單個光子很容易保持疊加狀態。然而，澳大利亞昆士蘭大學工程量子系統中心主任傑拉德·米爾本解釋說，像彈簧上的球這樣的大型物體「對環境擾動變得極其敏感」。「它們的任何一種粒子受到環境隨機衝擊的可能性都非常高。」 由於環境的退相干性，在桌面實驗中探測大規模物體的量子疊加的想法幾十年來似乎在水中銷聲匿跡。米爾本說：「問題在於隔離，確保除了重力之外沒有其他干擾。」但前景已顯著改善。 但更換球與一個對象被稱為光機位振盪器春天——本質上是一個小鏡子一個跳板。目標是將振盪器置於兩種振動模式的量子疊加中，然後觀察重力是否會破壞疊加的穩定性。 波梅斯特實驗中所需要的那種最好的光力學振盪器可以不停地來回擺動100,000次。但這還不足以讓重力的作用發揮作用。現在，改進後的振盪器可以擺動一百萬次，根據布梅斯特的計算，這接近於他所需要的，以便觀察或排除重力引起的退相干。「在三到五年內，我們將證明這面鏡子的量子疊加，」他說。在那之後，他和他的團隊必須減少振盪器上的環境干擾，直到它對單個光子的影響敏感為止。「它會起作用的，」他堅持說。