時間幽靈:量子時間的扭轉

2020-11-08 科學新世界

根據最新的研究發現,物理學家描述了一種將量子理論與愛因斯坦的狹義相對論結合起來的方法,這種方法甚至可以用一種實驗測試它。


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愛因斯坦的孿生悖論是最著名的悖論之一,在思維實驗在物理學裡,假設你送兩對雙胞胎的其中之一以接近光速的速度返回一顆恆星,在兩對雙胞胎兄弟相遇的時候,他們將比與他們相同的兄弟還要年輕。

年齡差異是時間膨脹的結果,愛因斯坦的狹義相對論就是這樣描述的:旅行越快,時間越慢。

但是如果我們把量子理論引入這個問題呢?聖安塞姆學院和達特茅斯學院的一名物理學家史密斯在今天發表的一項研究中解決了這一問題。

科學家們想像測量一個經歷兩次不同時間的量子原子鐘的時候,它就處於疊加狀態,這是量子力學的一種怪癖,在量子力學中,某物似乎同時存在於兩個地方。



史密斯說:「我們從愛因斯坦的狹義相對論中知道,當一隻鐘相對於另一隻鍾移動時,它所顯示的時間就會減慢。」

「但是量子力學允許你有時間開始思考,如果這個時鐘以兩種不同的速度疊加移動,會發生什麼。」

疊加是量子物理學中一個奇怪的方面,最初的一個物體可以同時處於多個位置,當它被觀察到時,只有其中一種狀態變為真的。

在某些實驗中,粒子可以被置於疊加位置,例如那些使用分束器來劃分光子的實驗,以顯示其作用中的現象。疊加中的兩個粒子似乎共享信息,直到它們被觀察到為止,這使得這一現象在加密和量子通信等應用中很有用。

與此同時,一些原子可以充當原子鐘,它們的衰變率記錄著時間的推移。

該科學家的論文描述道,放置在疊加中的原子鐘是如何經歷時間膨脹的,就像愛因斯坦的雙胞胎實驗一樣,讓其中一個疊加態以每秒幾米的速度移動,而另一個則保持靜止。

而不是讓原子同時處於兩種狀態,就像薛丁格的貓的實驗一樣,事實上,在這種狀態下各個階段的年齡會有所不同。



沒有參與這項研究的牛津大學物理學家VlatkoVedral說,這一想法將為量子力學與相對論相結合提供了一個難得的機會,因為這兩個領域的物理不太好混合在一起。

「你可以把量子力學中的疊加原理和相對論中的時間膨脹的概念結合起來,」他說。

「這正像愛因斯坦孿生悖論一樣,現在卻適用於同一系統,這就是量子扭轉,這種狀態真的很神奇,因為原子回到了你開始的位置,但在內部,它感覺是兩次不同的時間,這是一個年齡和年齡同時年輕的疊加。「

雖然這種效應太小,人類無法察覺,但這種量子時間擴展的想法可能會對高精度的量子時鐘產生影響。最重要的是,這項新的研究表明,未來有可能通過實驗來測量這種效應。



隨著科技的不斷發展,史密斯建議在不久的將來起草一份實驗提案,也許可以利用光譜學來分裂光,以尋找量子時間膨脹的特徵,最終將量子理論與愛因斯坦的狹義相對論結合起來,來探討更深刻的物理學。


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