@ 2018.08.30 , 15:00

将相对论的等效原理纳入到量子框架中

爱因斯坦的等效原理如何在量子领域中发挥作用,这道难题几十年来一直困扰着物理学家们。现在有两位研究人员可能找到了解开这个谜团的钥匙。

爱因斯坦的理论通过了几乎所有经典物理测试的验证。但是当进入最微小的尺度——量子领域——后,事情表现得奇怪起来。

问题是,人们不清楚怎么把爱因斯坦的广义相对论和量子力学协调在一起,主宰这两个领域的规则彼此矛盾。

但等效原理——现代物理学的基石之一——是广义相对论的基础。如果可以把它纳入到量子框架中,那么可能就会让我们统一广义相对论和量子力学。

简单来说,等效原理意味着重力可以平等地加速所有物体,这可以在阿波罗15的指挥官大卫·斯科特在月球上进行的羽毛和锤子同时着地的著名实验中得到验证。

它也意味着引力质量和惯性质量是等价的;简单地说,如果你身处一个密封的房间,就像电梯箱,你将无法分辨你感受到的,到底是重力还是房间加速上升时施加在你身上的力。它们的效果是完全一样的。

将相对论的等效原理纳入到量子框架中

“等效原理认为,任何物体的惯性和引力质量都是等价的,这意味着所有物体在受到引力作用时都会以相同的方式下落。”澳大利亚ARC工程量子系统卓越中心的物理学家Magdalena Zych解释道。

“物理学家们一直在争论这个原理是否适用于量子系统,所以要在量子世界中观察粒子与重力如何相互作用。我们意识到要做到这一点,我们必须着眼于质量。”

根据相对论,质量和能量被统一在一起。但在量子力学中,就有点复杂。量子粒子可以具有两种不同的能量状态,具有不同的数值,这被称为叠加态。

而且由于它具有能量状态的叠加,它还具有惯性质量的叠加。

这意味着——至少在理论上——它也应该具有引力质量的叠加。但量子粒子的叠加超出了等效原理所能解释的范畴。

“我们意识到,我们必须看看质量这种属性在粒子的量子态中如何表现,以便理解量子粒子如何响应一般的引力。”Zych说。

“根据我们的研究,对处于不同质量的量子叠加态中的粒子来说,该原理意味着出现了对经典粒子来说不存在的额外限制——前所未有的发现。”

这一发现使他们能够重新制定等效原理,以解释量子粒子中的叠加态。

新理论尚未通过实验验证;但是研究人员认为,这为以后的研究打开了一扇门。

它提供了一个新的框架来测试量子领域中的等效原理——我们简直迫不及待地想要知道结果。

论文发表在Nature Physics上。论文指出,在一个量子系统中,惯性质量和引力质量除了是等效的外,它们的算符必须是对易的。所谓对易的算符,指我们可以对其中一个的物理量进行测量而不会对另一个的值造成干扰。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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