探索量子力学和广义相对论间的相互作用

在物理学中，量子力学描述了微观粒子的行为，而广义相对论则支配着宏观的宇宙。这两个理论都极其成功，但物理学家一直希望能够找到一个可以将它们合二为一的终极理论。

在一项新发表在《物理评论快报》上的研究中，一个国际研究团队利用光晶格钟（optical lattice clock），探测了广义相对论效应在量子系统中的作用。

  光晶格钟与引力红移  

光晶格钟是当今最精确的计时设备之一。光晶格钟的核心是使用一组超冷的激光冷却原子，并将其限制在名为光学晶格的周期性激光陷阱中。

而与此同时，根据爱因斯坦的广义相对论，时间在引力场较强的区域，流逝得更慢。这一现象被称为引力红移，它会导致原子内部的能级发生微小变化（这种变化取决于原子在引力场中的位置），从而影响时间的“滴答”，即在光晶格钟中定义时间的振荡。

如此一来，通过测量光晶格钟的振荡频率的微小变化，就应该能够探索相对论对量子系统的影响。

虽然相对论效应在单个原子上的影响已经被很好地理解，但在多体量子系统中，相对论效应的作用仍然很少被探索。在多体量子系统中，原子可以相互作用并纠缠在一起。

  区分引力效应  

在新的研究中，研究人员首先面临的挑战便是：在光晶格钟中，如何区分引力效应与其他微小扰动的影响？为此，他们采用了一种名为“修整协议”（dressing protocol）的技术，即利用激光操控粒子的内部量子态。这一技术虽是量子光学中的标准工具，却是首次被用于微调引力效应。而这种可调性是基于著名的质能等价（E=mc²），这意味着粒子内部能量的变化会微妙地改变其质量。

基于这一机制，处于激发态的原子的质量会略大于处于基态的原子。引力势能的质量差，等价于引力红移。因此，研究人员可以通过调整原子的基态和激发态的叠加态，人为控制并精确调节引力红移的影响，从而成功区分了广义相对论效应与其他影响（如磁场梯度）。

  同步与纠缠  

在有了区分引力效应的方法后，研究人员进一步探索了量子多体系统中的引力效应。他们利用了将原子置于光学腔中产生的光子介导的相互作用。

具体而言，当一个原子处于激发态时，它可以通过向光学腔中发射一个光子变回基态。但这个光子不一定能逃离系统，而是可能被另一处于基态的原子吸收，从而使其跃迁至激发态。这种光子介导的相互作用，是使得原子即使在空间上分离但仍能保持相互作用的关键。

通常情况下，处于不同引力势能高度的粒子会因引力红移而滴答不同步。但研究发现，当引入光子介导的相互作用后，令人惊讶的现象发生了：粒子之间的相互作用可以使它们“锁”在一起，从而作为一个统一系统运行，而不再因引力红移而独立振荡。

一个光晶格钟嵌于由地球引力形成的弯曲时空中。光子介导的相互作用和引力红移之间的动态相互作用会导致纠缠的产生，并驱动频率同步动力学。（图/Steven Burrows / Rey and Ye groups）

换言之，每个粒子都可以被看作是一个独立的小时钟，但当它们发生相互作用时，它们的节奏开始同步，即便引力试图将它们分开。这是非常有趣的发现，因为它直接展示了量子相互作用与引力效应之间的相互作用。

此外，这种同步不仅展示了引力效应与量子相互作用之间的神奇关联，还促成了量子纠缠的形成。量子纠缠是一种粒子相互连接的现象，一个粒子的状态会瞬时影响另一个粒子。更重要的是，研究人员还发现，同步的速率也可作为量子纠缠的间接测量手段，这为理解引力与量子相互作用的关系提供了新视角。

  推动物理学研究前沿  

虽然这项研究揭示了两个物理领域之间的初步相互作用，但研究开发的协议有助于改进实验技术，使其更加精确。

能够探测到由广义相对论促成的量子纠缠将是一个革命性的成就。新的理论计算表明，目前或近期的实验技术已经具备实现这一目标的可能性。

未来的研究可能会探索不同条件下粒子的行为，或者探索粒子相互作用如何放大引力效应，从而推动我们找到一个统一的终极理论。