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即使在最小的時空單位里 時空也未量子化

在普朗克尺度下,物理學竟然波瀾不驚,未呈現任何奇異的現象。在宇宙中最小的空間和時間可測單位里,物理學家探索時空量子漲落時發現,一切都是光滑的。

這意味著,至少就目前而言,我們仍找不到量子力學版的廣義相對論。

在我們對宇宙的理解中,量子力學與廣義相對論的矛盾是最令人困擾的問題之一。

廣義相對論是一種引力理論,它描述了大規模物理宇宙中的引力相互作用。我們可以用它來預測宇宙的演化;廣義相對論預言了引力波和黑洞的一些行為。

相對論下的時空遵循所謂的局部性原理——也就是說,各種相互作用的影響本身受制於光速。

在量子領域——原子和亞原子尺度——廣義相對論崩潰了,量子力學接管了一切。在被測量之前,量子領域中的任何事物都不會在特定的位置或時間內發生,並且被空間或時間分隔的量子系統的各個部分仍然可以彼此相互作用,這種現象被稱為非局域性。

儘管它們存在矛盾,但廣義相對論和量子力學都是經過大量驗證,被廣泛認可的理論。但是到目前為止,事實證明,把它們融合到一起極為困難。

費米實驗室的全息儀項目——由芝加哥大學的天文學家和物理學家克雷格·霍根(Craig Hogan)領導——旨在檢測最小可能單位里時空的量子漲落。普朗克長度(10^-33厘米)和普朗克時間,是有測量意義的最小時空單位,後者即光經過普朗克長度所需時間。

幾年前,全息儀未測量到時空的量子漲落。這表明我們目前可以測量的時空本身並未被量子化。當然由於干涉儀臂是筆直的,因此無法檢測到其他種類的量子波動。這個後果可能很重要。

霍根寫道:「根據廣義相對論,旋轉物質會拖曳時空。在存在旋轉質量的情況下,陀螺儀測量的局部非旋轉框架相對於遙遠的宇宙旋轉,就像恆星相對於宇宙遠端旋轉。很可能量子時空在局部框架上具有普朗克尺度的不確定性,這將導致隨機的旋轉波動或扭曲,我們的第一個實驗無法檢測到,並且在任何正常情況下都無法檢測到。」

因此,團隊重新設計了儀器。他們增加了額外的反射鏡,以便能夠檢測旋轉的量子運動。他們開發了一部極其靈敏的陀螺儀,可以檢測每秒改變百萬次方向的普朗克標度旋轉。

在2017年4月至2019年8月的5次觀測中,該團隊收集了1098小時的雙干涉儀時間序列數據。在所有的時間裡,沒有任何微動。據我們所知,時空仍然是一個連續的過程。

但這並不像某些科學家所詬病的那樣,全息儀就是浪費時間。

我們擁有了一台目前精度最高的儀器。它返回的結果(是否為空)將決定未來在普朗克尺度上探索相對論和量子力學融合的方向。

霍根說:「如果不採取一些措施來指導理論,我們可能永遠不會理解量子時空是如何工作的。全息儀項目是一個探索性的實驗。僅以粗略的理論來指導其設計,我們無法解釋當前的平凡結果。量子起伏比我們想像得更小,或者它們具有對稱性,從而在我們尚未測量的空間中創建了一種模式?隨著科學進步,未來的實驗會更好,並且可能為我們提供一些線索,從更深的量子系統中探知時空真相。」

責任編輯: 李華  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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