将量子力学和广义相对论结合起来,发现时间顺

时间:2019-08-25 11:36

量子力学和引力理论因互不相容而臭名昭著,尽管在过去的五十年里,许多物理学家都做出了努力。然而,现在一个由维也纳大学、奥地利科学院、昆士兰大学和史蒂文斯理工学院物理学家领导的国际研究小组,将描述时间流动两种理论的关键要素结合起来,发现事件之间的时间顺序可以显示出量子特征。根据广义相对论,大质量物体的存在减慢了时间流动。这意味着放置在一个巨大物体附近的时钟会比放置在更远物体上的时钟运行得慢。


然而,量子理论定律能让任何物体以叠加态制备,两个位置的叠加状态不同于将一个物体随机放置在一个位置或另一个位置:这是物体存在的另一种方式,量子物理定律允许这样做。物理学中一个悬而未决的问题是:当一个质量足以影响时间流动的物体处于量子叠加状态时会发生什么?这是一个有争议的话题:一些物理学家称这种情况根本不可能发生(一些新机制必须从一开始就阻止叠加的形成)而另一些物理学家则建立假设,这是可能的基础上,发展出完整的理论。


昆士兰大学Magdalena Zych解释说:首先要解决一个问题,如果一个时钟受到一个处于量子叠加态的巨大物体影响,它会测量什么?科学家们本以为会遇到一些障碍,使这一设想成为不可能,但令人惊讶的是,使用标准物理教科书能够准确地描述发生了什么。


发现,当一个巨大质量物体被放置在一组时钟附近的量子叠加位置时,时间顺序可以成为真正的量子,而不受任何经典描述的影响。维也纳大学和奥地利科学院的合著者卡斯拉夫·布鲁克纳表示:量子时间顺序可能出现的机制与日常经验相当遥远。


但研究中最重要的发现是,量子时间顺序是完全可能的,它会产生新的物理效应。为了说明发生了什么,想象两艘星际飞船正在为一个任务进行训练。他们被要求在指定的时间向对方开火,并立即发动引擎,以躲避对方的攻击。如果任何一艘船太早开火,它将摧毁另一艘,这就在开火事件之间建立了一个明确无误的时间顺序。如果一个强大可以放置一个足够大的物体,比如说一颗行星,靠近一艘飞船,它就会减慢计算时间的速度。因此,离质量较远的船将过早地开火,而第一个人无法逃脱。


量子物理和引力定律预测,通过操纵行星的量子叠加状态,飞船最终可能会被摧毁,而这两种状态中的任何一种都会被摧毁。这种涉及两个系统的叠加态称为纠缠态,这项新研究表明,事件之间的时间顺序可以显示出叠加和纠缠——真正的量子特性,这对于检验量子理论与替代理论之间的关系尤为重要。这一结果可以作为量子引力框架的理论实验依据,从而有助于进一步构建正确的量子引力理论。


这项研究也将与未来的量子技术有关,利用量子顺序执行操作的量子计算机,可能会打败只使用固定序列操作的经典计算机。量子时间顺序的实际实现不需要极端条件(例如行星处于叠加状态)而且可以在不使用重力的情况下进行模拟。时间的量子特性发现,可以在即将到来的量子计算机时代带来更好的量子器件。


博科园|研究/来自:维也纳大学


参考期刊《自然通讯》


DOI: 10.1038/s41467-019-11579-x


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