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中国“墨子号”卫星太空实验尝试结合量子力学与广义相对论

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  新华社北京9月20日电(记者徐海涛、董瑞丰)近期,中国科学技术大学、美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等机构的科学家合作,利用我国“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。这也是国际上首次利用量子卫星,在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论理论进行实验检验。北京时间9月20日,国际权威学术期刊《科学》发表了该成果。

  量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。近百年来,国际科学界试图融合量子力学和广义相对论的工作遇到极大困难。在目前已知的四种基本相互作用中,电磁、弱相互作用和强相互作用都已量子化,而且已经统一,唯有关于引力作用的量子化问题一直悬而未决。目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论,模型众多,但都缺乏实验检验。

  近年来,有澳大利亚学者提出了一个“事件形式”理论模型,探讨了引力可能导致的量子退相干效应,并提出一个现实可行的试验方案。该方案预言,纠缠光子对在地球引力场中的传播,其关联性会概率性地损失。

  我国发射的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”正是检验这一理论的理想平台。近期,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、范靖云等与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位的科研工作人员合作,在国际上率先在太空开展引力诱导量子纠缠退相干实验检验,对穿越地球引力场的量子纠缠光子退相干情况展开测试。

  通过一系列精巧的实验设计和理论分析,他们的实验令人信服地排除了“事件形式”理论所预言的引力导致纠缠退相干现象;在实验观测结果的基础上,该工作对之前的理论模型进行了修正和完善。修正后的理论表明,在“墨子号”现有500公里轨道高度下,纠缠退相干现象将表现得比较微弱,为了进一步进行确定性的验证,未来需要在更高轨道的实验平台开展研究。

  据悉,这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验,将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。

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