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中國科學(xué)家登《Science》 他們要給愛因斯坦答疑解惑 阿里地面站與墨子號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行星地實(shí)驗(yàn)的場景，綠色光為衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)光、紅色為地面發(fā)射的信標(biāo)光 量子力學(xué)和引力理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。他們在各自的領(lǐng)域都取得了巨大成功。但是任何試圖將他們?nèi)诤系睦碚摴ぷ鞫加龅綐O大困難。 在目前已知的四種基本相互作用中，電磁、弱相互作用和強(qiáng)相互作用都已量子化，而且已經(jīng)統(tǒng)一。唯有關(guān)于引力作用的量子化問題一直懸而未決，解決、或?qū)τ谶@一問題的正確理解將有助于建立關(guān)于四種基本相互作用的大統(tǒng)一理論。這是物理學(xué)界包括愛因斯坦在內(nèi)的眾多科學(xué)家所關(guān)心的最為重要的問題之一。  實(shí)驗(yàn)場景，地面為了提高信號(hào)光強(qiáng)度，采用三臺(tái)設(shè)備聯(lián)合工作，照片中有兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)向衛(wèi)星發(fā)射信標(biāo)光 目前關(guān)于如何融合量子力學(xué)和引力理論的討論，模型眾多，但都缺乏實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，無法驗(yàn)證，嚴(yán)重阻礙了科學(xué)的發(fā)展。一個(gè)主要的原因是因?yàn)檫@些理論模型的預(yù)言都只能在極端實(shí)驗(yàn)條件下檢驗(yàn)，比如在極小空間尺度 10-35米，比電子半徑 10-15米還小了20個(gè)數(shù)量級(jí)，或者是極高能標(biāo) 1016TeV（萬億電子伏），而當(dāng)前大型強(qiáng)子對撞機(jī)如LHC也只能將質(zhì)子的能量提升至10 TeV量級(jí)，這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前可以到達(dá)到的實(shí)驗(yàn)條件。 廣義相對論預(yù)言了一類奇異的時(shí)空結(jié)構(gòu)，這種時(shí)空結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)違背因果律的行為——回到過去，如同科幻小說中的“時(shí)間機(jī)器”。而在量子引力理論中這類時(shí)空結(jié)構(gòu)尤為重要，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)在原則上可以由量子引力的時(shí)空幾何漲落形成。 但是時(shí)間機(jī)器對因果律的破壞將引起許多邏輯悖論，為避免這一問題，美國著名物理學(xué)家Polchinski最早提出了理論解決方案。他指出，經(jīng)典物體在這類時(shí)空結(jié)構(gòu)中存在一種特殊、自洽的演化過程，不會(huì)產(chǎn)生邏輯悖論。美國物理學(xué)家Politzer和英國物理學(xué)家Deutsch等人對該理論進(jìn)行了推廣，研究了量子態(tài)在這類時(shí)空結(jié)構(gòu)中的自洽演化行為。  用于與墨子號(hào)進(jìn)行量子通信的阿里地面站望遠(yuǎn)鏡 在此基礎(chǔ)上，澳大利亞物理學(xué)家拉夫等人進(jìn)一步提出了一個(gè)被稱為“事件形式” （event formalism）的理論，該理論認(rèn)為量子態(tài)在奇異時(shí)空和平直時(shí)空中的演化是不同的，引力可能導(dǎo)致量子糾纏態(tài)發(fā)生退相干現(xiàn)象，并預(yù)言地星之間分發(fā)的糾纏光子對會(huì)發(fā)生退相干現(xiàn)象。 假設(shè)在地球表面制備了一對糾纏光子對，其中一個(gè)光子穿過局域平直時(shí)空，在光源附近的地表傳播；而另一個(gè)光子穿過地球引力場形成的彎曲時(shí)空，傳播到衛(wèi)星。依據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性；而依據(jù)“事件形式”理論，糾纏光子對之間的關(guān)聯(lián)性則會(huì)概率性地受到損失。  實(shí)驗(yàn)工作者以及阿里地面站與墨子號(hào)的星地對接場景 |
