作者 | 赛先生&墨子沙龙

来源 | 墨子沙龙

任何“意想不到”的结果都将预示我们对于现有量子力学、引力理论的理解需要做出重大修正。

延时摄影下的阿里地面站望远镜，用于与墨子号进行量子通信。

撰文 | 小赛&小墨

描述微观世界的量子力学和描述引力场的广义相对论是现代物理学的两大支柱。但在目前，这两种理论还难以“和谐共存”。科学家进行了许多尝试，希望在它们之间架起桥梁，并为此提出了多种理论模型。

然而，这些模型的验证需要在极端实验条件下才能进行，比如，极微小尺度——10^-35米，比电子半径10^-15米还小了20个数量级；或者极高能量——约10¹⁶TeV，比当前最“高能”的大型强子对撞机LHC还高了15个数量级。目前的地面探测技术，远远无法达到检验模型所需的实验条件。为此，实验物理学家需要寻找一些新的途径。

近年来，澳大利亚物理学家Ralph等人提出了一个“事件形式”理论模型，认为引力可能导致量子纠缠发生退相干现象。他们预言这一现象可以通过地星之间的纠缠分发进行检测[1]。 

量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台。中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、范靖云等与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位的科研工作人员合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星对这类模型进行了实验检验。这是国际上首次在太空中利用卫星开展的关于量子力学和引力理论关系的量子光学实验研究。2019年9月19日，国际权威学术期刊《科学》杂志第一时间（First Release）在线发布了这一研究成果。

时间机器也需“限行”

“墨子号”发威

检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图。

基于这次实验观测结果，研究人员对原有的理论模型进行了修正和完善。修正后的理论表明，在“墨子号”现有500公里轨道高度下，纠缠退相干现象将表现得比较微弱。为了进一步进行确定性的验证，未来需要在更高轨道的实验平台开展研究[5]。

为了检验新版本的“事件形式”，潘建伟团队计划利用中高轨卫星，在更大的引力强度范围内开展测试。中高轨卫星的轨道预计将比“墨子号”高20到60倍。

研究团队表示：“科学研究的一个美妙之处在于‘意想不到’。我们可以运用标准量子力学对于这一场景做出预测，但是对于可能的实验结果持开放态度。任何‘意想不到’的结果都将预示我们对于现有量子力学、引力理论的理解需要做出重大修正。虽然在这个实验里，在实验精度范围内没有出现‘意想不到’。但是，我们排除了一类引力引起的量子退相干模型。这是对于研究量子力学和引力理论关系的一个有积极意义的进展。”

参考资料

[1] S. K. Joshi, et al., Space quest mission proposal: experimentally testing decoherence due to gravity. New J. Phys. 20, 063016 (2018).

[2] H. D. Politzer, Simple quantum systems with closed timelike curves. Phys. Rev. D 46,

4470-4476 (1992).

[3] D. Deutsch, Quantum mechanics near closed timelike lines. Phys. Rev. D 44, 3197–3217 (1991).

[4] T. C. Ralph, G. J. Milburn, T. Downes, Quantum connectivity of space-time and gravitationally induced decorrelation of entanglement. Phys. Rev. A 79, 022121 (2009).

[5] https://science.sciencemag.org/content/early/2019/09/18/science.aay5820