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為探索彎曲時空開闢了新可能性:熱波動與盎魯效應預測一致!


博科園芝加哥大學研究人員做了一個物質場的實驗觀察,該物質場的熱波動與盎魯輻射預測一致,其研究發現發表在《自然物理》上,為探索彎曲時空中量子系...

- 2019年6月08日01時33分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

芝加哥大學研究人員做了一個物質場的實驗觀察,該物質場的熱波動與盎魯輻射預測一致,其研究發現發表在《自然物理》上,為探索彎曲時空中量子系統的動力學開闢了新可能性。開展這項研究的研究人員之一Cheng Chin:我們在芝加哥大學的團隊一直在研究一種叫做玻色煙火的新量子現象,這是我們兩年前發現的,與一種叫做盎魯輻射的引力現象之間隱藏的聯繫。

盎魯效應,或曰盎魯輻射,與霍金輻射密切相關。1974年理論物理學家史蒂芬·霍金(Stephen

Hawking)預測,黑洞附近強大引力會導致粒子的熱輻射,類似於烤箱發出的熱浪。這一現象仍然是推測性的,沒有直接的實驗證實。幾年後,也就是1976年物理學家威廉·安魯(William盎魯)假設,當一個人以高加速度運動時,她可以觀察到同樣的輻射。霍金和盎魯輻射之間的等價性是基於愛因斯坦的等價原理,這一原理現已被許多實驗證實。


除了盎魯的預測,還沒有人觀察到盎魯輻射,這並不奇怪,因為這種現象特別難以捕捉。事實上,一個人需要承受250億的重力(25*10^18)才能看到1k的微弱輻射。這是一個驚人的數字,考慮到,例如一個戰鬥機飛行員所經歷的重力不超過10G。在實驗室里,通過精確地調節玻色-愛因斯坦凝聚體與磁場的關係來模擬昂魯物理學。即使我們的樣本沒有移動,調製效果也與將樣本提升到加速參考系相同。

(博科園-圖示)(a)說明盎魯輻射預計將如何在加速框架中出現,(b)顯示模擬盎魯輻射的實驗圖像。圖片:Hu et a

觀察到2微開爾文的輻射,測量結果非常符合盎魯的預測,並證實了輻射場的量子性質。在實驗中,Chin和同事們準備了6萬個銫原子,並將它們冷卻到10納米開爾文左右,然後開始對磁場進行調製。在調製後幾毫秒,觀察到原子在各個方向的熱發射。為了確定原子的熱分布,研究人員收集了大量的樣品,結果表明原子數的波動與熱玻爾茲曼分布密切相關,從這些圖像中提取的溫度非常符合盎魯的預測。

除了熱分布,還觀察了物質波發射的時空相干性。相干性是量子力學的重要特徵,揭示了盎魯輻射起源於量子力學。這與傳統的熱輻射源形成了鮮明的對比,比如烤箱或陽光,它們來自熱平衡。從本質上說,Chin和同事使用非慣性框架下的量子物理模擬框架觀察了物質波場。觀察到這種物質波的波動,以及長程相位相干性和它的時間相干性與盎魯預測一致。

該研究由芝加哥大學的研究小組進行,由國家科學基金會、陸軍研究辦公室和芝加哥MRSEC資助。在未來,觀測結果可能對研究彎曲時空中的量子現象具有重要意義。該方法適用於非慣性參考系中的一般量子態,在我們未來的研究中,科學家希望在彎曲時中發現新的量子現象。關於愛因斯坦的廣義相對論是否與量子力學相容,已經有很多討論。有各種建議、猜測,甚至是悖論,開展實驗,幫助更好地理解量子力學在彎曲時空中是如何的。


博科園|Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys


參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0537-1

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