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2019-08-25 08:19
量子引力的时间纠缠

Photo by NASA on Unsplash,本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:SAI



在物理学中,解决量子力学与引力理论之间的不相容,是许多物理学家的终极目标。在过去的几十年里,物理学家为了二者的融合作出了许多的努力,但结果却收效甚微。


在这两种理论中,时间也具有根本上的不同性质。


在量子理论中,事件以固定的顺序展开;而在广义相对论中,时间顺序受物质分布的影响。


量子力学拥有许多奇怪的特性,量子叠加就是其中之一。处于这特殊状态的粒子似乎可以同时处于两个或两个以上的位置或状态。


最近,来自昆士兰大学、哈佛大学以及维也纳大学的物理学家将这两种理论中描述时间流动的关键要素结合在了一起。


他们发现,事件之间的时间顺序是可以表现出真正的量子特性的。这表明粒子并非唯一能以叠加态存在的物体,时间本身也可以。



根据爱因斯坦的广义相对论,大质量物体的存在会减慢时间的流动。也就是说,如果你将一个时钟放置在靠近某个大质量物体的位置,那么时间会比放置远离这个物体的位置流逝得更慢。


根据量子理论的规则,任何物体都能以叠加态的状态出现。


位置的叠加态也是量子物理定律所允许的,它不同于将一个物体随机地放置在两个位置中的其中一个。


在物理学中有这样一个悬而未决的问题:


当一个物体的质量大到足以影响时间流动,而这个物体又处于量子叠加态时,会发生什么?


这是一个让物理学家争论不休的话题。


有的认为这种情况从根本上就不可能发生,因为一些新的机制一定会在一开始就阻止叠加的形成;有的则假设这是可能的,并在此基础上,发展出了完整的理论。



在新的研究中,物理学家们进行了一个思想实验来研究量子的时间顺序。


他们思考了一个在空间叠加中的大质量物体,试图研究如果一个时钟受到了这样一个处于量子叠加态的大质量物体的影响,那么它测量的会是什么?


他们本以为,这一设想会遇到许多使其无法实现的障碍。但令人惊讶的是,他们仅用标准物理教科书上的内容就准确地描述了发生的一切。


他们发现当一个叠加态的大质量物体被放置在一组时钟附近时,时间顺序会表现出真正的量子态,且不会受任何经典描述的影响。


在量子的时间顺序中,时间的流动不是一个直接向前的箭头,而是在前后方向上因果共存。


这与我们的日常经验相去甚远,但从这项研究中,我们能获得了一个非常重要的洞见,那就是量子时间顺序是可以存在的,而且它还能导致新的物理效应。



那么在新的研究中,究竟发生了什么呢?


假设有两艘正在为同一太空任务进行训练的星际飞船。两艘飞船被要求在指定时间向对方开火,与此同时,它们还需立即发动引擎,躲避对方的攻击。如果任何一方太早开火,另外一艘飞船就会被摧毁。


○ 图片来源:Magdalena Zych


如此一来,开火事件之间就建立了一个明确无误的时间顺序。


现在,假设有某种强大的力量,能将一个大质量物体——比如一颗行星,被放置在其中一艘飞船的附近,那么行星就会减慢这艘飞船计算时间的速度。导致离这颗行星较远的那艘飞船过早开火,让靠近行星的飞船没有躲避的时间。


根据量子物理和引力定律的预测,通过操纵这颗行星的量子叠加态,两艘飞船最终可以处于其中一艘会被摧毁的叠加态。


这样一种涉及到两个系统的叠加态被称为纠缠态。



新的研究表明,事件之间的时间顺序可以显示出叠加和纠缠的特性。


这些都是真正的量子特性,对量子理论与其他替代理论的检验来说尤其重要。


这种纠缠违反了贝尔不等式,它完成了一个在局部经典时间顺序中不可能完成的任务。这意味着,时间顺序不能用任何预先定义的局部变量来描述。


现在,新的结果可以作为量子引力框架的理论实验依据,将有助于进一步构建正确的量子引力理论。


除此之外,新的研究也与未来的量子技术有关。


利用量子顺序执行操作的量子计算机或许会打败只能使用固定顺序操作的设备。而且,量子时间顺序的实现实际上并不需要让行星处于叠加状态这类极端的条件,它可以在不用到引力的情况下进行模拟。


因此,发现时间的量子特性,或许能为即将到来的量子计算机时代带来更好的量子设备。


参考链接:

https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/quantum-gravitys-tangled-time/

https://www.stevens.edu/news/quantum-future-which-starship-destroys-other


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11579-x


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:SAI


本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。

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