时空是连续的吗--中国数字科技馆
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时空是连续的吗

时空是连续的吗(科学播报) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-01-19   浏览数:
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图源:pixabay

  时空是连续的吗?这是一个哲学问题,也是一个物理学问题。

  过去,我们一直以为时空是连续的。但是标准模型逐渐并不能解释许多现象,比如质量的形成机制、CP不守恒、中微子振荡、重子不对称性以及暗物质和暗能量的性质。因而,超越标准模型的物理学诞生。比如上个世纪诞生的量子力学,就给人们带来了全新的思路。能量、角动量这些基本单位都是不连续的,也就是离散的,那么,时空会不会也是离散的?

由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象

图源:Wikipedia

  “时空是离散的”这一观点最线诞生于1987年,被称为圈量子引力(loop quantum gravity)理论。这一理论建立在惠勒-德威特方程的基础上。惠勒-德威特方程将整个宇宙空间看成波函数,这个波函数的演化满足薛定谔方程。然而这一方程存在诸多问题,因此后来逐渐被淘汰。

  那么圈量子引力理论又是什么样的呢?

  圈量子引力理论,又译回圈量子引力论,英文别名圈引力(loop gravity)、量子几何学(quantum geometry),由阿贝·阿希提卡、李·斯莫林、卡洛·罗威利等人发展出来的量子引力理论,与弦理论同是当今将重力量子化最成功的理论。

  之所以被称为圈量子引力理论,是因为这个理论涉及到一个积分,这个积分是沿着时空中的一些小圈进行。而且,该理论采用的并非薛定谔方程,而是采取了海森堡方程的模式,其中需要找到一对正则变量来进行量子化。

  在此理论下,时空描述的背景是独立的,由关系性循环织出的自旋网络铺成时空几何。网络中每条边的长度为普朗克长度。循环并不存在于时空中,而是以循环扭结的方式定义时空几何。在普朗克尺度下,时空几何充满随机的量子涨落,因此自旋网络又称为自旋泡沫。在此理论下,时空是离散的。

圈量子引力理论中的简单自旋网络形态 图源:Wikipedia

  在该模型中,最重要的一个结构为四面体,其四个面的面积可以存在量子波动。最新的这项研究发现,正是通过计算机构造了量子四面体。

  这项发表于《自然·物理学通讯》,研究团队为万义顿、鲁大为、曾蓓组织的华人研究团队。

  现在大热的量子计算机,是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。既然是量子计算机,就需要有一个量子系统。在这项工作中,研究人员使用核磁共振量子系统,制备了量子四面体对应的量子态。

  不同于传统的电子计算机,量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。量子计算机扩展了传统计算机原有的限制。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统,也被称为量子比特(qubits)。

  为了获得量子比特,研究团队使用了巴豆酸分子进行实验。它的分子式为C4H6O2,包含4个碳原子,退相干时间很长,适合做量子计算。研究人员表示,他们在室温下使用700兆赫兹的布鲁克核磁共振谱仪,对量子比特进行操控和测量。通过这个4量子比特系统,他们构造出一个可以模拟量子四面体的空间。

巴豆酸分子 图源:Wikipedia

  研究人员用碳13标记了这一分子,我们知道,碳原子核的个数是奇数,它的核自旋是1/2,核自旋为1/2的碳原子在磁场中发生能级分裂,形成2能级系统,也就是量子比特。

  该实验不仅仅是制造出量子态这么简单。为了验证圈量子引力理论,研究人员需要验证其量子四面体的性质。从几何意义上来说,因为四面体是封闭的,所以这个量子态必须满足一定的条件,也就是四个角动量算子求和以后,作用到这个量子态必须等于零。通过依据这些输出数据,可以检验实验制备量子四面体的角动量是否满足,算子求和后是不是等于零。

  结果表明,他们用巴豆酸分子制备量子四面体对应的量子态,四面体角动量算子求和后,的确为零。

  这项实验表明,量子计算机可以模拟量子时空。

  此外,这是华人科学家主导的用量子计算机模拟的量子引力。这些进展将促进量子引力推进到实验室阶段。并且为验证理论,解释时空的连续性,提供了进一步的数据支撑。

 

原创稿件

制作 杨枭 中国科学院大学

审校 赵峥 北京师范大学物理系教授

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s42005-019-0218-5


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