研究量子引力的新途径

  探索量子引力理论  

量子理论和广义相对论是物理学的两大支柱。量子理论描述了微观粒子（比如原子中的单个电子）的诸多反直觉的行为；广义相对论则描述了引力的本质，它决定了像行星和恒星等大质量物体的运动，并做出了许多奇特而又的预言，比如黑洞、引力波、引力透镜和宇宙膨胀等等。

这两种理论在各自的领域都运作得非常好，但它们却无法以一种完美的方式结合起来。因此，寻找一个能够将这两个理论统一起来的量子引力理论是物理学家最大的目标之一。

然而，构建量子引力理论是一条无比艰辛的道路，至今仍没有实现。之所以困难重重，部分原因可归结于它涉及到非常复杂的数学，与此同时还非常难以开展合适的实验。

最近，一个奥地利的研究团队在《美国国家科学院院刊》发表了一项新的研究，表明利用量子模拟器，可以回答过去一些无法通过实验解决的问题，包括量子力学与相对论之间的关系。

  从一个系统了解另一个系统  

近年来，许多物理学家都在试图用量子模拟器来研究奇怪的量子效应，它们是为了解决一些特定问题而设置的量子系统。

使用量子模拟器来进行这些研究的一个前提假设是：许多物理系统是相似的。它们可能是完全不同种类的粒子，或者是存在于完全不同的尺度上的物理系统，乍看之下似乎没有什么关系，但却可能在更深层次上遵循着相同的定律和方程。这意味着，通过研究一个特定的系统，可以了解另一个系统的信息。

在新的研究中，研究人员采用了由一个带有电磁场的原子芯片控制和操纵的超冷原子云，这是一个可以在实验中很好地控制和调整的系统。他们假设当适当地调整这些原子云时，它们的性质可以转变为另一个量子系统，如此一来他们就可以将对原子云模型系统的测量，转化成对另一个系统的测量。

利用这种方法，研究人员产生了类似时空曲率弯曲的效应。在真空中，光以恒定的光速沿着所谓的“光锥”传播。在相同的时间内，光在每个方向上传播的距离都是相同的。然而，如果光受到大质量物体的引力的影响，光的路径就会弯曲。在弯曲的时空中，光的路径不再是完美的直线。这也正是造成了像引力透镜这种奇特现象的原理。

在新的实验中，研究人员发现这样的现象也出现在了原子云上。换句话说，研究人员通过创建一个用量子场论来描述的量子系统，获得了一种可对应于时空曲率或引力透镜的效应。实验结果表明，光锥的形状、透镜效应、反射和其他现象，都可以在这些原子云中精确展示。

  量子引力的模型系统  

这意味着，有了这个系统，研究人员就有了一个全新的可用于研究广义相对论和量子理论之间的联系的工具。他们希望未来能够更好地控制这些原子云，进而确定更广泛的数据。比如他们希望粒子之间的相互作用仍然能够以一种非常有针对性的方式改变，通过这种方式，量子模拟器就有望重现即使用超级计算机也无法计算的复杂物理情况。

除了理论计算、计算机模拟和直接实验之外，量子模拟器也将成为量子研究的一个新的、额外的信息来源。它将将有利于固态物理学、材料学等一系列基础理论研究。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/gekruemmte-raumzeit-im-quanten-simulator

#图片来源：

封面图&首图：NASA / TU Wien