在物理學(xué)中，量子力學(xué)描述了微觀粒子的行為，而廣義相對(duì)論則支配著宏觀的宇宙。這兩個(gè)理論都極其成功，但物理學(xué)家一直希望能夠找到一個(gè)可以將它們合二為一的終極理論。

在一項(xiàng)新發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究中，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用光晶格鐘（optical lattice clock），探測(cè)了廣義相對(duì)論效應(yīng)在量子系統(tǒng)中的作用。

光晶格鐘與引力紅移

光晶格鐘是當(dāng)今最精確的計(jì)時(shí)設(shè)備之一。光晶格鐘的核心是使用一組超冷的激光冷卻原子，并將其限制在名為光學(xué)晶格的周期性激光陷阱中。

而與此同時(shí)，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，時(shí)間在引力場(chǎng)較強(qiáng)的區(qū)域，流逝得更慢。這一現(xiàn)象被稱為引力紅移，它會(huì)導(dǎo)致原子內(nèi)部的能級(jí)發(fā)生微小變化（這種變化取決于原子在引力場(chǎng)中的位置），從而影響時(shí)間的“滴答”，即在光晶格鐘中定義時(shí)間的振蕩。

如此一來，通過測(cè)量光晶格鐘的振蕩頻率的微小變化，就應(yīng)該能夠探索相對(duì)論對(duì)量子系統(tǒng)的影響。

雖然相對(duì)論效應(yīng)在單個(gè)原子上的影響已經(jīng)被很好地理解，但在多體量子系統(tǒng)中，相對(duì)論效應(yīng)的作用仍然很少被探索。在多體量子系統(tǒng)中，原子可以相互作用并糾纏在一起。

區(qū)分引力效應(yīng)

在新的研究中，研究人員首先面臨的挑戰(zhàn)便是：在光晶格鐘中，如何區(qū)分引力效應(yīng)與其他微小擾動(dòng)的影響？為此，他們采用了一種名為“修整協(xié)議”（dressing protocol）的技術(shù)，即利用激光操控粒子的內(nèi)部量子態(tài)。這一技術(shù)雖是量子光學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)工具，卻是首次被用于微調(diào)引力效應(yīng)。而這種可調(diào)性是基于著名的質(zhì)能等價(jià)（E=mc2），這意味著粒子內(nèi)部能量的變化會(huì)微妙地改變其質(zhì)量。

基于這一機(jī)制，處于激發(fā)態(tài)的原子的質(zhì)量會(huì)略大于處于基態(tài)的原子。引力勢(shì)能的質(zhì)量差，等價(jià)于引力紅移。因此，研究人員可以通過調(diào)整原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的疊加態(tài)，人為控制并精確調(diào)節(jié)引力紅移的影響，從而成功區(qū)分了廣義相對(duì)論效應(yīng)與其他影響（如磁場(chǎng)梯度）。

同步與糾纏

在有了區(qū)分引力效應(yīng)的方法后，研究人員進(jìn)一步探索了量子多體系統(tǒng)中的引力效應(yīng)。他們利用了將原子置于光學(xué)腔中產(chǎn)生的光子介導(dǎo)的相互作用。

具體而言，當(dāng)一個(gè)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它可以通過向光學(xué)腔中發(fā)射一個(gè)光子變回基態(tài)。但這個(gè)光子不一定能逃離系統(tǒng)，而是可能被另一處于基態(tài)的原子吸收，從而使其躍遷至激發(fā)態(tài)。這種光子介導(dǎo)的相互作用，是使得原子即使在空間上分離但仍能保持相互作用的關(guān)鍵。

通常情況下，處于不同引力勢(shì)能高度的粒子會(huì)因引力紅移而滴答不同步。但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入光子介導(dǎo)的相互作用后，令人驚訝的現(xiàn)象發(fā)生了：粒子之間的相互作用可以使它們“鎖”在一起，從而作為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)運(yùn)行，而不再因引力紅移而獨(dú)立振蕩。

一個(gè)光晶格鐘嵌于由地球引力形成的彎曲時(shí)空中。光子介導(dǎo)的相互作用和引力紅移之間的動(dòng)態(tài)相互作用會(huì)導(dǎo)致糾纏的產(chǎn)生，并驅(qū)動(dòng)頻率同步動(dòng)力學(xué)。（圖/Steven Burrows / Rey and Ye groups）

換言之，每個(gè)粒子都可以被看作是一個(gè)獨(dú)立的小時(shí)鐘，但當(dāng)它們發(fā)生相互作用時(shí)，它們的節(jié)奏開始同步，即便引力試圖將它們分開。這是非常有趣的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗苯诱故玖肆孔酉嗷プ饔门c引力效應(yīng)之間的相互作用。

此外，這種同步不僅展示了引力效應(yīng)與量子相互作用之間的神奇關(guān)聯(lián)，還促成了量子糾纏的形成。量子糾纏是一種粒子相互連接的現(xiàn)象，一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)影響另一個(gè)粒子。更重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，同步的速率也可作為量子糾纏的間接測(cè)量手段，這為理解引力與量子相互作用的關(guān)系提供了新視角。

推動(dòng)物理學(xué)研究前沿

雖然這項(xiàng)研究揭示了兩個(gè)物理領(lǐng)域之間的初步相互作用，但研究開發(fā)的協(xié)議有助于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使其更加精確。

能夠探測(cè)到由廣義相對(duì)論促成的量子糾纏將是一個(gè)革命性的成就。新的理論計(jì)算表明，目前或近期的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)具備實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可能性。

未來的研究可能會(huì)探索不同條件下粒子的行為，或者探索粒子相互作用如何放大引力效應(yīng)，從而推動(dòng)我們找到一個(gè)統(tǒng)一的終極理論。

#參考來源：

https://jila.colorado.edu/news-events/articles/sneaky-clocks-uncovering-einsteins-relativity-interacting-atomic-playground

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.093201

#圖片來源：

封面圖：Vector_Horizon_YT / Pixabay

首圖：Steven Burrows/Rey and Ye groups