研究人員預言量子波包的反引力

 

1666年，歷史上最著名的那個蘋果正好砸中牛頓的腦門，啟發了牛頓的靈感，悟出了萬有引力定律，從而統一描述了地球上的引力現象和月亮圍繞地球轉動這樣的天體運動規律。整整250年後，愛因斯坦提出廣義相對論，用彎曲時空觀給予引力更加準確和美麗的描述。

自從愛因斯坦提出廣義相對論以來，關於引力仍然有很多難解之謎。經典引力現象為何是吸引的？暗能量的引力現象為何是排斥的？引力和量子之間如何融合？引力與其他三種基本力如何統一？

近年來，由於Jacobson和Verlinde等人的貢獻，人們開始反思引力的本質，提出引力可能根本不是一種基本力，而是由於熱力學定律導致的一個現象。從熱力學的角度，推導和判斷力的方向是非常自然和容易做到的。比如，從熱力學的角度就可以解釋為何氣缸升溫時，氣體會推動活塞向外運動。這導致一個饒有興趣的問題：能否從熱力學起源的角度解釋萬有引力定律中引力是吸引而不是排斥的物理機制？

最近，浙江工業大學維爾切克量子中心熊宏偉教授從引力的熱力學起源出發，推導出萬有引力定律，並且對經典引力為何是吸引的這個幾百年以來懸而未決的問題給予了一個自然的解釋。作者在發表於Frontier of Physics的封面論文中認為引力不過是從非平衡向著熱力學平衡方向演化導致的一種效應。這個演化趨勢導致了經典引力的吸引特徵。在該論文中，首先計算了物質和真空耦合導致的真空溫度場分布，然後通過分析決定從非平衡向著熱力學平衡方向演化的自由能公式自然得到經典引力的吸引特徵。

在同樣的理論框架內，該論文還研究了量子波包的引力效應，發現在量子波包的內部會自然出現排斥的引力效應，而在量子波包的外部和經典的引力效應完全一樣。這個新奇的理論預言有著多方面的意義。比如，如果暗能量是真空中彌散於整個宇宙的量子波包漲落導致的效應的話，該論文的預言就可以為暗能量的排斥引力效應提供新的解決思路。

量子波包的排斥引力效應是有望在實驗中給予檢驗的。根據該論文，液氦在超流轉變溫度之上滿足牛頓的萬有引力定律，在轉變溫度之下由於凝聚行為可能出現量子波包的反常的排斥引力效應。由此，該論文建議通過測量液氦在超流轉變溫度之上和之下之間的引力差異來檢驗量子波包的排斥引力效應。事實上，目前超導引力計、冷原子幹涉儀等高精度高靈敏引力測量手段已經能夠滿足檢驗該理論預言的條件。一旦該理論預言得到證實，就很有希望對神秘的暗能量提供新的認識，甚至於還將在凝聚態材料的量子波包行為觀察方面有廣泛的應用價值。

2004年諾貝爾物理學獎以及2014年美國引力基金會論文獎第一名獲得者弗蘭克•維爾切克教授評價該工作「看起來非常有趣，我很高興看到論文還建議了一個實驗。」無疑，該論文預言的科幻中常提到的反引力需要最終接受實驗的檢驗。地面上的實驗和普朗克衛星等天文觀察有望在未來給予決定性的檢驗。

該研究是在科技部國家重大科學研究計劃和國家自然科學基金面上和重點等項目支持下完成的。（來源：《物理學前沿》）

 

 

 

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