量子引力的時間糾纏

1.

在物理學中，

解決量子力學與引力理論之間的不相容，

是許多物理學家的終極目標。

在過去的幾十年里，

物理學家為了二者的融合作出了許多的努力，

但結果卻收效甚微。

在這兩種理論中，

時間也具有根本上的不同性質。

在量子理論中，

事件以固定的順序展開；

而在廣義相對論中，

時間順序受物質分布的影響。

量子力學擁有許多奇怪的特性，

量子疊加就是其中之一。

處於這特殊狀態的粒子似乎可以

同時處於兩個或兩個以上的位置或狀態。

最近，來自昆士蘭大學、哈佛大學

以及維也納大學的物理學家

將這兩種理論中描述時間流動的

關鍵要素結合在了一起。

他們發現，

事件之間的時間順序

是可以表現出真正的量子特性的，

這表明粒子並非唯一能以疊加態存在的物體，

時間本身也可以。

2.

根據愛因斯坦的廣義相對論，

大質量物體的存在會減慢時間的流動。

也就是說，

如果你將一個時鐘

放置在靠近某個大質量物體的位置，

那麼時間會比放置遠離這個物體的位置流逝得更慢。

根據量子理論的規則，

任何物體都能以疊加態的狀態出現。

位置的疊加態也是量子物理定律所允許的，

它不同於將一個物體隨機地放置在兩個位置中的其中一個。

在物理學中有這樣一個

懸而未決的問題：

當一個物體的質量大到足以影響時間流動，

而這個物體又處於量子疊加態時，

會發生什麼？

這是一個讓物理學家爭論不休的話題。

有的認為這種情況從根本上就不可能發生，

因為一些新的機制一定會在一開始就阻止疊加的形成；

有的則假設這是可能的，

並在此基礎上，發展出了完整的理論。

3.

在新的研究中，

物理學家們進行了一個思想實驗

來研究量子的時間順序。

他們思考了一個在空間疊加中的大質量物體，

試圖研究如果一個時鐘

受到了這樣一個處於量子疊加態的

大質量物體的影響，

那麼它測量的會是什麼？

他們本以為，

這一設想會遇到許多

使其無法實現的障礙。

但令人驚訝的是，

他們僅用標準物理教科書上的內容

就準確地描述了發生的一切。

他們發現當一個疊加態的大質量物體

被放置在一組時鐘附近時，

時間順序會表現出真正的量子態，

且不會受任何經典描述的影響。

在量子的時間順序中，

時間的流動不是一個直接向前的箭頭，

而是在前後方向上因果共存。

這與我們的日常經驗相去甚遠，

但從這項研究中，

我們能獲得了一個非常重要的洞見，

那就是量子時間順序是可以存在的，

而且它還能導致新的物理效應。

4.

那麼在新的研究中，

究竟發生了什麼呢？

假設有兩艘正在為同一太空任務

進行訓練的星際飛船。

兩艘飛船被要求在指定時間向對方開火，

與此同時，它們還需立即發動引擎，

躲避對方的攻擊。

如果任何一方太早開火，

另外一艘飛船就會被摧毀。

圖片來源：Magdalena Zych

如此一來，

開火事件之間就建立了一個

明確無誤的時間順序。

現在，假設有某種強大的力量，

能將一個大質量物體——

比如一顆行星，

被放置在其中一艘飛船的附近，

那麼行星就會減慢這艘飛船計算時間的速度。

導致離這顆行星較遠的那艘飛船過早開火，

讓靠近行星的飛船沒有躲避的時間。

根據量子物理和引力定律的預測，

通過操縱這顆行星的量子疊加態，

兩艘飛船最終可以處於

其中一艘會被摧毀的疊加態。

這樣一種涉及到兩個系統的疊加態被稱為糾纏態。

5.

新的研究表明，

事件之間的時間順序可以顯示出

疊加和糾纏的特性。

這些都是真正的量子特性，

對量子理論與其他替代理論的檢驗來說尤其重要。

這種糾纏違反了貝爾不等式，

它完成了一個在局部經典時間順序中

不可能完成的任務。

這意味著，

時間順序不能用任何預先定義的局部變數來描述。

現在，新的結果可以作為

量子引力框架的理論實驗依據，

將有助於進一步構建正確的量子引力理論。

除此之外，

新的研究也與未來的量子技術有關。

利用量子順序執行操作的量子計算機

或許會打敗只能使用固定順序操作的設備。

而且，量子時間順序的實現

實際上並不需要讓行星處於疊加狀態

這類極端的條件，

它可以在不用到引力的情況下進行模擬。

因此，發現時間的量子特性

或許能為即將到來的量子計算機時代

帶來更好的量子設備。

參考鏈接：

https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/quantum-gravitys-tangled-time/

https://www.stevens.edu/news/quantum-future-which-starship-destroys-other

論文鏈接：

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