量子引力和万物理论的一些测试是什么?

两个好理论，但没有中间立场

量子力学(QM)和广义相对论(GR)是这20人最伟大的成就之一^th世纪。它们已经通过了许多方面的测试，并通过了测试，这让我们对它们的可靠性有信心。但隐藏的危机存在这两个在某些情况下被考虑。像防火墙悖论这样的问题似乎意味着，虽然这两种理论都能很好地独立工作，但在考虑适用场景时，它们却不能很好地融合在一起。在某些情况下，GR如何影响QM，但对其他方向的影响则没有那么大的影响。我们能做些什么来阐明这一点呢?许多人认为，如果引力有一个量子成分，它可以作为桥梁，统一的理论，甚至可能导致一个理论的一切。我们如何进行测试呢?

时间膨胀效应

QM通常受我所关注的时间框架的控制。事实上，时间是正式基于原子原理的，即QM领域。但时间也受到我的运动的影响，根据GR，这被称为膨胀效应。如果我们取两个处于不同状态的叠加原子，我们可以根据环境线索测量出时间框架，即在两种状态之间振荡的周期。现在，取其中一个原子，以高速发射，速度相当于光速。这确保了时间扩张效应的发生，因此我们可以很好地测量GR和QM是如何相互影响的。为了实际测试这一点(因为叠加电子状态并达到接近光速的速度是困难的)，人们可以使用原子核，通过x射线给它充电(并通过释放x射线而损失能量)。如果我们有一组原子在地面上和地面上，重力对每组原子的作用都不同，因为所涉及的距离不同。如果我们得到一个x射线光子，并且只知道某物吸收了光子，那么顶部的原子有效地叠加了吸收光子的概率。某物然后向地面发射一个x射线光子，相互叠加，就像每个光子都贡献了一部分一样。由于距离的关系，引力会以不同的方式吸引这些光子还有旅行的时间．因此，发射光子的角度会有所不同，并且可以测量，这可能会为量子引力模型提供见解(Lee“Shining”)。

叠加时空

说到使用叠加，当这种情况发生时，时空到底发生了什么?毕竟，GR解释了物体如何引起空间结构的曲率。如果我们的两个叠加状态导致它以不同的方式弯曲，难道我们不能测量它以及它对时空的突然影响吗?这里的问题是规模。小物体容易叠加，但很难看到引力的影响，而大物体可以看到破坏时空，但不能叠加。这是由于环境干扰导致物体坍塌成一个确定的状态。我处理的事情越多，就越难以控制一切，容易让自己陷入一种确定的状态。对于一个单一的小物体，我可以更容易地分离出它，但没有太多的相互作用能力来看到它的重力场。因为重力，就不可能做宏观实验吗原因坍缩，从而使大规模测试无法测量?引力退相干是一个可扩展的测试吗?我们可以根据物体的大小来测量它?技术的进步使得可能的测试更加可行(Wolchover“物理学家之眼”)。

Dirk Bouwmeester(加州大学圣芭芭拉分校)设计了一个光学振荡器(弹簧镜面的花哨说法)。振荡器可以来回运动一百万次，然后在适当的条件下停止，如果有人能让它叠加在两种不同的振动模式之间。如果隔离得足够好，那么一个光子就可以将振子坍缩成单一状态，因此，由于振子的宏观尺度性质，时空的变化可以被测量。另一个关于这些振荡器的实验涉及到海森堡测不准原理。因为我不知道这两个一个物体的动量和位置具有100%的确定性，振荡器足够宏观，可以查看是否存在任何偏离原理的情况。如果是这样，那么这意味着QM需要修改而不是GR。Igor Pikovksi(欧洲航空防务和空间公司)的一项实验将看到这一点，当光击中振荡器时，转移动量，并在产生的波的相位位置上造成一个假设的不确定性，“只有质子宽度的1亿万亿分之一”。呀!(如上)。

射流空间

根据Luca Maccione(路德维希-马克西米利安大学)的研究，万物理论的一个有趣的可能性是时空充当超流体。在这种情况下，重力来自流体的运动，而不是赋予时空重力的单个碎片。流体运动发生在普朗克尺度上，这使我们处于可能的最小长度，约为10^-36年米，赋予引力量子性质，“流动几乎没有摩擦或粘度。”我们怎么知道这个理论是否正确呢?一种预测要求光子具有不同的速度，这取决于光子所经过区域的流体性质。根据已知的光子测量，时空作为流体的唯一候选者必须处于超流体状态，因为光子的速度到目前为止一直保持不变。将这一想法扩展到其他太空旅行的粒子，如伽马射线、中微子、宇宙射线等，可能会产生更多的结果(Choi“时空”)。

黑洞与审查

空间中的奇点一直是理论物理研究的焦点，特别是因为GR和QM必须在这些位置相遇。这是一个大问题，它已经导致了一些迷人的场景。以宇宙审查假说为例，该假说认为，如果没有视界，大自然会阻止黑洞的存在。我们需要它作为我们和黑洞之间的缓冲，从本质上锁定量子和相对的动力学，使其无法被解释。听起来像是一种花招，但如果引力本身支持这个没有裸奇点的模型呢?弱引力猜想假设引力必须是宇宙中最弱的力量模拟表明，无论其他力的强度如何，引力似乎总是会导致黑洞形成视界，并阻止裸奇点的演化。如果这一发现成立，它将支持弦理论作为我们量子引力的潜在模型，从而支持我们的万物理论，因为通过振动方式将力捆绑在一起将与模拟中看到的奇点变化相关。QM效应仍然会导致粒子质量坍缩到足以形成奇点(Wolchover“Where”)。

钻石是我们最好的朋友

引力的弱点是寻找关于它的量子秘密的固有问题。这就是为什么Sougato Bose(伦敦大学学院)，Chiara Marletto和Vlatko Vedral(牛津大学)详细介绍了一项潜在的实验影响通过引力效应来缠绕两颗微金刚石。如果这是真的，那么被称为引力子的引力量子必须在它们之间交换。在设置中，一个质量约为1*10的微金刚石^-11年克，宽2*10⁶当温度低于77开尔文时，其中心的一个碳原子会被氮原子取代。通过激光发射微波脉冲将导致氮进入叠加态，在那里它会吸收或不吸收光子，从而使钻石悬浮。现在让磁场发挥作用，这个叠加延伸到整个钻石。当两颗不同的钻石进入这种单独的叠加态时，它们可以彼此靠近(大约1*10)⁴米)的真空，比地球上任何地方都完美，减轻作用在我们系统上的力，持续三秒钟。如果引力确实有量子成分，那么每次实验发生时，下落应该是不同的，因为叠加的量子效应只允许相互作用的概率在每次运行设置时发生变化。通过观察进入另一个磁场后的氮原子，可以确定自旋相关性，因此两者的潜在叠加仅通过引力效应建立(Wolchover“物理学家发现”，Choi“桌面”)。

引力波

利用来自遥远恒星合并的信号，有可能看到引力子是否真实存在。莫里克·帕里克(亚利桑那州立大学)和他的研究小组已经展示了引力子如何在引力波数据中产生其他方法无法解释的噪声。这种噪声是由波作为粒子产生的，量子引力预测会发生这种情况。Parikh的工作已经展示了我们对中子星碰撞和黑洞合并的噪声的预期，现在我们只需要看看它是否存在(Crane)。

普朗克的星星

如果我们想得到真的这很疯狂(让我们面对现实吧，不是吗?)，有一些假设的物体可能有助于我们的搜索。如果一个在空间中坍塌的物体没有变成黑洞，而是可能达到正确的量子物质-能量密度(大约10⁹³克每立方厘米)来平衡引力坍缩，一旦我们达到10^-12年到10^-16年米，引起排斥力的混响，形成一个普朗克星，我们说一个小的大小:大约一个质子的大小!如果我们能找到这些天体，他们将给我们另一个机会来研究QM和GR(共振科学基金会)的相互作用。

挥之不去的问题

希望这些方法会产生一些结果，即使它们是消极的。也许量子引力的目标是无法实现的。现在谁说得准呢?如果说科学告诉了我们什么的话，那就是真正的答案比我们想象的要疯狂得多……

作品的引用

Charles Q. Choi， <量子引力的桌面实验>。Insidescience.org。美国物理学会，2017年11月6日。2019年3月5日。

——"时空可能是一种光滑的流体"Insidescience.org。美国物理学会，2014年5月1日。2019年3月4日。

起重机,利亚。时空波可以让我们知道引力是否是量子的《新科学家》．新科学家，2021年9月4日。打印。8。

李,克里斯。"用x射线手电筒照射量子引力"Arstechnica.com．孔蒂纳斯特。2015年5月17日。2019年2月21日。

共振科学基金研究小组。《普朗克之星:量子引力研究超越视界》Resonance.is．共振科学基金会。2019年3月5日。

Wolchover,娜塔莉。“物理学家眼中的量子引力界面。”Quantamagazine.com．2013年10月31日。2019年2月21日。

——“物理学家找到了一种方法来看到量子引力的‘咧嘴笑’。”Quantamagazine.com．广达，2018年3月6日。2019年3月5日。

——"引力很弱，裸奇点被禁止的地方"Quantamagazine.com．广达，2017年6月20日。2019年3月4日。

©2020 Leonard Kelley