物理学家的发现有助于量子引力理论的发展

时间：2021-08-11 18:52:10 来源：

一对飞船为执行任务而训练。他们被要求在指定的时间向对方开火，并立即启动引擎以躲避对方的攻击。如果其中一艘船开火太早，它将摧毁另一艘船，这在开火事件之间建立了明确的时间顺序。如果一个强大的特工能够将足够大的物体（例如一颗行星）放置在靠近一艘船的位置，则会减慢时间的计时。结果，离质量较远的船将起火太早，以至于第一艘船都无法逃脱。

尽管过去五十年来许多物理学家做出了巨大的努力，但量子力学和引力理论却因不兼容而臭名昭著。但是，最近由维也纳大学，奥地利科学院以及昆士兰大学（AUS）和史蒂文斯理工学院（美国）的物理学家领导的国际研究人员团队结合了这两种理论的关键要素他描述了时间流，发现事件之间的时间顺序可以表现出真正的量子特征。

根据广义相对论，大物体的存在减慢了时间的流逝。这意味着放置在靠近大型物体的时钟要比距离较远的时钟慢。

但是，量子理论的规则允许以叠加状态准备任何物体。两个位置的叠加状态不同于将对象随机放置在一个位置或另一个位置中-这是量子物理学定律所允许的另一种存在对象的方式。

物理学中的开放性问题之一是：当一个质量足以影响时间流的物体置于量子叠加状态时会发生什么？

这是一个有争议的话题：一些物理学家声称，这种情况从根本上讲是不可能的-某些新机制必须首先阻止叠加的形成-而另一些则基于可能的假设来发展整个理论。

“我们首先解决一个问题：如果时钟受到处于量子叠加状态的大质量物体的影响，它将如何测量？”昆士兰大学的Magdalena Zych解释说。

科学家原本希望面对障碍，从而使这种情况成为不可能，但是令人惊讶的是，使用标准教科书物理学，他们能够准确地描述发生了什么。

他们如此发现，当将一个巨大的物体放在一组时钟附近的量子叠加中时，它们的时间顺序就可以变成真正的量子，无视任何经典的描述。

维也纳大学和奥地利科学院的合著者卡斯拉夫·布鲁克纳（Caslav Brukner）补充说，量子时间顺序可能出现的机制与我们的日常经验相距甚远，“但我们工作中最重要的见解是，量子时间顺序根本就没有并带来新的物理效果。”

为了说明发生了什么，请想象一对为执行任务而训练的飞船。他们被要求在指定的时间向对方开火，并立即启动引擎以躲避对方的攻击。如果其中一艘船开火太早，它将摧毁另一艘船，这在开火事件之间建立了明确的时间顺序。如果一个强大的特工能够将足够大的物体（例如一颗行星）放置在靠近一艘船的位置，则会减慢时间的计时。结果，离质量较远的船将起火太早，以至于第一艘船都无法逃脱。

量子物理学和引力定律预测，通过操纵行星的量子叠加状态，飞船可能最终陷入其中任何一个被摧毁的叠加状态。涉及两个系统的这种叠加状态称为纠缠态。这项新的研究表明，事件之间的时间顺序可以表现出叠加和纠缠-真正具有量子特征的量子特征对于测试量子理论与替代物之间的关系尤为重要。该结果现在可以用作量子引力框架的理论测试平台，从而有助于在制定正确的量子引力理论方面向前发展。

该研究也将与未来的量子技术有关。利用执行操作的量子顺序的量子计算机可能会击败仅使用固定序列进行操作的设备。量子时间顺序的实际实现不需要极端条件（例如，行星处于叠加状态），并且可以在不使用重力的情况下进行模拟。时间的量子特性的发现可以在即将到来的量子计算机时代带来更好的量子设备。

在《自然通讯》
上发表：“贝尔的时间顺序定理”，M.Zych，F.Costa，I.Pikovski和Č。布鲁克纳，《自然通讯》第10卷，文章编号：3772 (2019).

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