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时空是量子化的吗？六种方法解开宇宙的结构
物理学界最大的问题之一是时空的本质是经典的还是量子化的。从缓慢的中微子到量子泡沫，这些实验希望能最终回答这个问题。
如果你能清空宇宙，剩下的会是什么?宇宙的潜在结构被称为时空，它通常被比作一块织物。但伦敦大学学院的物理学家乔纳森·奥本海姆说:“时空结构是一个科幻术语”。它到底意味着什么，还没有达成共识。
在经典物理学中，即阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论中，时空结构并不独立存在。相反，时空与质量和能量交织在一起，并受其影响，从而产生引力。最重要的是，爱因斯坦的方程是连续的，所以，在经典的观点中，结构必须是光滑的。
但如今，大多数物理学家认为，时空必须遵守量子力学的规则，而量子力学支配着亚原子粒子和场的行为。在这种情况下，它可以被分解成离散的块，或量子化。这意味着，尽管时空看起来是宇宙中所有事物发生的一个平滑背景，但如果你能足够近距离地观察，你就会发现它实际上是由某些东西构成的，就像其他一切一样。
问题是，我们仍然没有证据表明时空是量子化的。很难证明它是这样还是那样，因为你可能想象的时空的“像素”——它最基本的组成部分——是如此的微小，以至于直接观察它们是不可能的。
这就给我们留下了间接观察。好消息是，物理学家们设计了一系列巧妙的实验，这些实验最终可以解决时空是由什么构成的，如果有的话，一劳永逸地解决这个问题。
慢速中微子
当乔瓦尼·阿梅利诺-卡梅利亚和他的合作者在6月份发表了初步结果，暗示时空的量子化，他们没有预料到会引起轩然大波。但他们的说法震惊了物理学界。“他们要么不明白，要么没有读过论文，”意大利那不勒斯费德里科二世大学的物理学家阿梅利诺-卡梅利亚说。
他们展示的是他们对基本粒子中微子的测量细节，中微子有质量，但几乎不与其他物质相互作用，通常起源于遥远的星系。在经典的、非量子化的时空结构中，中微子应该接近光速运动。但一些量子时空理论预测，它会产生微小的阻力，这会使中微子以取决于它们能量的速度减速。
阿梅利诺-卡梅利亚把这种效应比作一个玻璃棱镜，以不同的速度减慢不同频率的光，使它们分离成彩虹。除了时空阻力要微妙得多，所以如果我们要看到这种效应，中微子必须穿越巨大的距离。“谢天谢地，宇宙足够大，”他说。
阿梅利诺-卡梅利亚和他的同事们在南极洲的冰立方中微子天文台探测到的中微子中，分析了大约8000个能量最高粒子的方向，发现其中有一小部分似乎可以追溯到一个共同的起源。其想法是，如果这些中微子在不同的时间到达，那么它们一定是被不同程度地减速了。他们确实是这样做的——所以，这意味着，我们已经看到了量子化时空的证据。
至少这是他们的说法。批评者抱怨，用来精确定位这个共同起源的数据点太少，而且没有显示出测量中的潜在错误。但阿梅利诺-卡梅利亚认为，每次中微子探测与其相应爆炸之间的时间差是如此众所周知，以至于误差范围太小，无法显示。尽管如此，他说，还需要更多的数据。“如果我们的结论不会随着更多的数据而消失，我们将非常幸运，”他说。“我们会有很多话要说。”
量子泡沫
“如果我要放大，空间和时间将是一团混乱的波动，”加州帕萨迪纳市加州理工学院的物理学家凯瑟琳·祖雷克说。“当你观察更大的距离时，这些波动会平均分布，所以我们看到的是平滑的。”
祖雷克的工作重点是这些微小的、假设的时空波动，这将是假设的引力粒子——即引力子——进出存在的结果，正如许多已知的粒子所做的那样。她称之为量子泡沫，她感兴趣的是，在某些情况下，是否有可能看到它存在的迹象。
她认为我们可以，只要我们生活在一个全息宇宙中。粗略地说，全息原理认为，尽管我们的感知可能是三维的，但宇宙中体积内的一切都可以说是从一个二维表面中产生的。2022年5月，祖雷克证明，如果我们的宇宙确实如此，量子泡沫的波动可以被放大到可以测量的地步。
在此基础上，她提出了一种实验。它从一个干涉仪开始，一个使用激光光在两条最终会再次交叉的路径之间分离的装置，显示出干涉图案。在祖雷克提出的装置中，光能够推动引力子，也可以被认为是时空像素，使其一起运动，就好像它们是一个凝聚的、波动的云。她将这个巨大的云称为“像素云”，并说它将能够改变周围光线的轨迹，在干涉仪中产生一个特征。
祖雷克告诫说，这样的实验可能还有很长的路要走。一方面，她仍在确保她的预测不会与已知的物理学相冲突。“引力理论是一件极其微妙的事情，”她说。其次，我们目前所能获得的最灵敏的干涉仪——激光干涉引力波天文台(LIGO)——第一个探测到被称为引力波的时空涟漪——可能不够灵敏，无法探测到量子泡沫的影响。“它不是被设计来做这种测量的，”祖雷克说。
但即使她的实验在LIGO上运行，什么也没有发现，她已经开始与实验人员合作，设计一个更灵敏的干涉仪。
称量质子
光粒子，或光子，是无质量的，所以我们通常不认为引力会影响它们。我们应该重新考虑一下，堪培拉澳大利亚国立大学的扎因·梅赫迪说。爱因斯坦证明了能量和质量是等价的，这意味着高能光子也会像质量一样发出微弱的引力场。对于足够高的光子能量，这会使时空发生弯曲——这种效应会以可测量的方式改变光子的路径。
6月份，梅赫迪和他的合作者预测，通过将光子驱动到极高的能量，它们将与量子化引力和经典引力产生不同的相互作用。“[量子化的]时空介质可以产生奇怪的效果，”梅赫迪说。
在一个利用这种差异的实验中，一束光将被分成两半，允许它们自相互作用。当两束分离的光线再次组合时，它们的干涉图案将显示出量子引力或经典引力特有的特征。另一种装置将寻找更微妙的统计效应。由于量子引力特有的相互作用，可能会发生一个罕见的事件:三个光子可以湮灭产生一个光子，其频率是原始光子的三倍。
这两个实验都需要强大的激光和特殊的镜子。“当我告诉实验人员[可能]的结果时，我看到他们的眼睛以一种好的方式睁大了，”梅赫迪说。“但随后我告诉他们，他们需要提高激光功率和检测效率，这时他们的眼睛就睁大了。”事实是，梅赫迪的实验目前超出了我们的能力范围。然而，引力波探测器等类似实验的进展意味着这项技术并不遥远。
纠缠的质量
如果引力是一种量子力，就像其他三种基本自然力一样，那么它应该以一种量子方式行为。测试的一种方法是看看是否有质量的物体受到纠缠，这是一种量子现象，其中粒子的性质是相关的，以至于测量一个粒子的性质会影响另一个粒子，即使它们相隔很远的距离。
长期以来，这样的测试似乎超出了我们的能力，很大程度上是因为你所做的任何测量都会使你的质量的量子态崩溃，从而使观察变得不可能。但2017年，伦敦大学学院的苏加托·博斯和他的同事们提出了一种桌面实验，可以做到这一点。
这个想法是首先把一个相对较大的质量，大约千分之一毫米的直径，放入一个量子叠加态。这就是它在被测量或观察之前同时存在于多个状态的地方，此时它被认为“坍缩”成一个确定的状态。然后你引入第二个质量，也处于叠加状态，让这两个质量下降。
如果引力是量子化的，你就会期望看到引力子暂时物质化，以纠缠这两个质量。“如果这些对能够纠缠在一起，那么引力一定具有量子性质，”博斯说。“这就是我们如何验证引力的量子性质的。”另一方面，如果它是经典的，那么质量就不会是引力叠加的，也不会出现引力子来纠缠它们。
这是一个极其困难的实验，因为像叠加和纠缠这样的量子态非常脆弱。“即使是真空中的单个原子也能使量子过程崩溃，”博斯说。但我们一直在避免这种崩溃，因为我们找到了新的方法来小心地操纵纳米级的质量，所以博斯乐观地认为，他的实验将在未来5到10年内成为可能。
后量子引力
如果他们不得不打赌，大多数物理学家会打赌时空的真实本质不是经典的。其他三种基本力是量子化的，为什么引力不是呢?但如果你想想，这并没有多大意义，”奥本海姆说。“一个多世纪以来的努力，我们一直无法将引力量子化。”
相反，奥本海姆正在探索引力不具有量子性质的可能性，至少不是完全的。他的想法是，它是一种混合体，他称之为“后量子经典引力”。这意味着时空和引力可以是经典的，同时与其他一切的量子化是一致的。
许多人认为你不能组合一个量子系统和一个经典系统。但奥本海姆说你可以，通过对量子理论和广义相对论做一些调整。为了使之成立，量子粒子与经典引力之间的相互作用必须是不可预测的。
所以，尽管在某些情况下引力似乎是量子化的，但我们看到的引力场中任何明显的量子行为——比如叠加——实际上只是场内量子粒子位置不确定的结果。在这种情况下，引力场的测量不会泄露粒子的位置。
奥本海姆提出了两种方法来测试这一灵感，灵感来自亨利·卡文迪许著名的1797年实验，该实验测量了两个球体之间微小的引力。当然，奥本海姆的更新需要更高的精度。他的两个提议都有可能暗示他发现了后量子经典引力，或者排除它，表明时空毕竟是量子化的。
第一个实验检验了Lajos DiÓsi和Roger Penrose关于经典引力在量子叠加态中对质量所起作用的模型。他们推测，对于小的质量，引力中的微小量子涨落将在引力场之上被检测到。但对于一个大的质量，更大的引力场会诱使质量的量子叠加坍塌。另一方面，量子引力预测，质量的叠加应该持续存在，而不是坍塌。
第二个测试是相似的，但它寻找的是质量从量子行为到经典行为的转变点。例如，我们知道光子可以表现为粒子或波，但项链珠子，比如说，只表现出经典行为。换句话说，它们只表现为粒子。问题是，这种转变发生在什么质量上?
奥本海姆计算了一个后量子经典宇宙的转变点，目前正在与实验人员讨论。但这并不容易。“因为引力非常弱，我们对它的测量非常不准确，”奥本海姆说。“它可能在剧烈波动，而我们却不知道。”
非局部效应
1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·博姆提出，经典的电磁方程并没有给出完整的画面:必须包括额外的量子效应。几年后，一个实验验证了他们的预测，发现带电粒子即使在没有电磁场的情况下也会受到“震动”。最被接受的解释是所谓的非局部量子效应。
但是，这种阿哈罗诺夫-博姆效应也能适用于引力场中的粒子吗?如果引力是量子化的，它应该——而且有可能测试它。2022年1月，现任马里兰州约翰霍普金斯大学的克里斯·奥弗斯特里特和他的合作者发表了基于这一想法的结果，这可能是我们最接近量子引力的确凿证据。
他们的原子干涉实验从一个超冷原子的喷泉开始，他们沿着两条路径分离。一条路径经过一个大的质量，它的位置是这样的，它没有对原子施加净的引力，因为它的引力抵消了自己，留下量子引力作为唯一的可能相互作用的来源。另一条路径上的原子在没有任何外在影响的情况下行进。
“我们想知道，原子是否还能分辨出源质量是否存在，”奥弗斯特里特说。他们可以。当两条路径重新组合时，干涉图案显示，与第二条路径相比，第一条路径的原子发生了偏移。奥弗斯特里特说，即使考虑到所有可能的误差来源，这种效应仍然是显著的。
虽然他们还没有能够区分后量子引力和量子引力，但研究人员认为，量子化版本提供了他们演示的更完整的解释——这为未来的实验铺平了道路。
奥弗斯特里特现在希望在芝加哥附近的费米实验室进一步推动实验信封，那里目前正在建设一个100米长的原子干涉仪。这将作为一个巨大的量子传感器，具有足够的灵敏度来寻找引力量子化——你猜对了——在大约5到10年内。
本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。