重力量子本質實驗驗證:古典重力或可誘發量子糾纏
编辑者: Irena I
探究重力是否具備量子特性,是當代物理學中一項懸而未決的重大難題,因為重力是唯一尚未被納入量子力學框架的基本交互作用力。目前,電磁力、強核力與弱核力皆已能被量子場論一致描述,然而,愛因斯坦的廣義相對論將重力視為時空彎曲,其本質仍遵循古典定律。物理學界已嘗試逾一個世紀來建構一套完備的量子重力理論,儘管尚未完全成功,但當前的研究焦點已轉向實驗,試圖在重力現象中尋找量子行為的蛛絲馬跡。
一項極具潛力的實驗途徑,其靈感源自物理大師理查德·費曼在1957年提出的構想,即是檢驗重力是否能誘發兩個微小質量之間的量子糾纏現象。若能證實此類糾纏的存在,將強烈暗示重力具有量子本質,這也成為當前實驗努力的核心驅動力。費曼的這一思想實驗,在當時的教堂山會議上被提出,旨在直觀地探究重力是否具有量子特性,並已成為量子重力實驗設計的基礎藍圖。
目前,多個研究團隊正積極在實驗室中執行此項測試,方法是將極微小的質量置於深度冷卻的量子機械態。舉例來說,維也納的研究人員計劃利用雷射將尺寸約為150奈米的微小玻璃珠冷卻,使其表現出量子力學波包的特性。此外,另一項實驗則基於卡文迪許實驗的原理,旨在測量極小物體之間的重力交互作用,部分團隊的目標是研究質量僅有數微克的物體。這些奈米尺度的操作,與諾貝爾獎得主在量子點研究中對奈米尺度的控制有異曲同工之妙。
這些實驗的執行極為精密且複雜,必須在近乎完美的真空環境中進行,並嚴密屏蔽所有外界干擾,因為即便是單一分子也可能破壞極其敏感的量子態或潛在的糾纏。值得注意的是,近期理論發展指出,在特定條件下,即使是純粹的古典重力也可能在物質間誘發某種形式的糾纏,這為實驗結果的解讀增添了複雜性。倫敦大學皇家霍洛威學院的Joseph Aziz和Richard Howl的研究便指出,即使重力是經典的,也可能透過「虛擬粒子」與量子場相互作用,產生「類量子糾纏」效應。
與專注於量子重力本身的實驗努力並行,理論研究也在持續推進。例如,德國漢堡大學新成立的 Emmy Noether 青年研究小組,便致力於攻克量子重力中艱難的領域,該小組由Dr. Max Wiesner領導,專注於弦論和量子重力中強耦合效應的計算。這類理論工作,或許能為理解暗能量等現象提供新的啟示。德國比勒費爾德大學的 Emmy Noether 計畫,旨在支持年輕科學家早期獨立研究,體現了對基礎物理學的長期投入。
總體而言,將廣義相對論與量子力學統一,仍是追求對宇宙基本作用力全面理解的核心目標,此一探索在2026年持續成為全球密集研究的主題。麻省理工學院(MIT)的科學家也正透過結合扭轉振盪器與雷射冷卻的實驗,挑戰愛因斯坦的百年理論,試圖區分重力究竟是量子場、突現現象,還是經典力。這項跨越理論與實驗的努力,體現了物理學界在追求基礎統一性上的堅韌不拔。
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來源
Frankfurter Allgemeine
FAZ
Spektrum der Wissenschaft
scinexx.de
Agenda INFN
Universität Hamburg
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