量子力学遇上广义相对论 “墨子号”求解世纪谜题

当量子力学遇上广义相对论，会擦出怎样的火花？近日，多国科研人员合作利用我国“墨子号”量子科学实验卫星，对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型开展了实验检验。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论开展实验检验，将极大推动相关物理学基础理论和实验研究。

近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事联合美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位的科研工作人员，首次利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型开展了实验检验。研究成果于近日发表在国际顶级学术期刊《科学》杂志。

“‘墨子号’的先进技术，促成了人类历史上第一次成功利用量子光学实验方式完成了量子理论和广义相对论之间的基础理论验证，将极大推动相关物理学基础理论和实验研究。”潘建伟表示。

物理学家的“终极梦想”

描述微观世界的量子力学和阐释引力场的广义相对论，是现代物理学的两大支柱，它们在各自领域取得了巨大成功。然而，这两大理论似乎天生是对“冤家”，无论科学家们如何努力使其融会贯通，始终不能“友好和平共处”：很多在广义相对论框架下适用的物理规则，在量子领域就不再适用。

广义相对论和量子力学能否合二为一？一些试图将其融合的理论模型陆续诞生，但都缺乏实验检验，无法验证，进而阻碍了科学的发展。造成这一结果的主要原因是这些理论模型的预言都只能在极端实验条件下检验。

条件苛刻到何种程度？论文联合作者、中国科学技术大学教授陈宇翱举了两个例子：极小空间尺度10-35米，这比电子半径还小了20个数量级；或者是极高能标1019GeV（GeV为十亿电子伏特），而当前能标最高的大型强子对撞机，如LHC也只能将质子的能量提升至104GeV量级。

“这些都远远超出目前可以达到的实验条件，即便是在未来几十年，科学家们也没有找到更好的方法可以达到或接近这些条件。”陈宇翱称。

困难阻挡不住科学家们探索宇宙的决心。人们已经认识到，物质世界千变万化的现象，归根结底是通过目前已知的4种基本相互作用产生的：电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用。其中，前3种力都可以在量子力学的框架下得到解释，唯独引力运用量子力学无法解释。

“解决或对于这一问题的正确理解，将有助于建立关于4种基本相互作用的大统一理论。”潘建伟说。而这也是物理学界包括爱因斯坦在内众多科学家的“终极梦想”：建立一个“万有理论”，试图统一所有尺度的物理理论。

“墨子号”大展拳脚

向着科学的高峰努力奔跑，近年来，理论物理学家尝试提出新的理论，在某个层面上将广义相对论和量子力学放入一个统一的理论框架中，并探讨了一些在目前实际条件下可能进行实验验证的新机制。其中，澳大利亚物理学家拉夫提出的“事件形式”理论模型备受关注。

根据“事件形式”理论模型，量子态在奇异时空和平直时空中的演化是不同的，并预言地星（地球、卫星）之间分发的纠缠光子对会发生退相干现象，即引力可能导致量子退相干效应。

“换句话说，假设在地球表面制备了一对纠缠光子对，其中一个光子穿过局域平直时空，在光源附近的地表传播；而另一个光子穿过地球引力场形成的弯曲时空，传播到卫星。”陈宇翱说，依据现有的量子力学理论，所有纠缠光子对将保持纠缠特性；而依据事件形式理论，纠缠光子对之间的关联性则会概率性受到损失（量子退相干效应）。

什么是量子？它是能表现出某个物质或物理量特性的最小单元，例如“光的量子”，也被称为光子，指的是一定频率的光的基本能量单位。而量子纠缠指的是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态，科学家们认为无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其他粒子，这种像“心灵感应”的神奇现象就是量子力学理论中的“量子纠缠现象”。

正所谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。科学的探索亦是如此。2016年8月16日，我国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，此后又成功完成千公里级地星双向量子纠缠分发。量子科学实验卫星正是检验“事件形式”理论的理想平台。

就这样，以潘建伟为代表的中国科学家和拉夫一起，利用我国已经在轨的“墨子号”量子科学卫星，共同设计了一个实验方案，并于最近完成了实验。“这是国际上首次在太空中利用卫星开展的关于量子力学和广义相对论关系的实验研究，具有指标性、引领性意义，将极大推动相关的理论和实验研究活动。”潘建伟称。

“事件形式”理论模型被排除

实验结果如何？潘建伟说：“如果我们确实观察到了这种偏差，即量子退相干效应，那就意味着‘事件形式’理论是正确的，我们必须对量子理论和广义相对论之间的相互作用进行实质性修正。”

不过，科学研究的一个美妙之处在于“意想不到”。“我们的实验结果排除了这一理论模型，结果令人信服。”陈宇翱告诉记者，本次实验排除了“事件形式”理论所预言的引力导致纠缠退相干现象，将极大推动相关基础理论和实验研究。

不仅如此，在实验观测结果的基础上，科学家们还对之前的理论模型进行了修正和完善。修正后的理论表明，在“墨子号”现有500公里轨道高度下，量子纠缠退相干现象将表现得比较微弱。“实验结果排除了‘事件形式’较强的模型，结果令人信服，但修正后的理论模型是否正确仍有待检验。”潘建伟表示。

求索永无止境。为了进一步验证修正版的理论模型，需要在更高轨道的实验平台开展研究。未来，潘建伟和他的团队将发射一颗新的卫星，预计它的轨道将比“墨子号”高20到60倍，其中一项科学实验任务就是能够在理论预言更强的纠缠退相干范围内进行检验。