ZKX's LAB

量子力学可以解释时空的存在吗?

2020-11-26新闻4

量子力学奇怪。对于我们来说,无法用肉眼看到微观世界的人,很难想象一切在原子水平上是如何工作的。同时,根据原子理论,宇宙中的所有事物都由最小的粒子-原子组成,它们通过电和核力结合在一起。20世纪的物理实验表明,原子可以分解成更小的亚原子粒子。1911年,英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)进行了一系列实验,得出的结论是,该原子类似于太阳系,只有电子绕轨道旋转而不是行星旋转。两年后,物理学家尼尔斯·玻尔以卢瑟福的模型为基础,发明了原子的第一个量子理论,在理论物理领域,一切变得更加复杂。

多年来,科学家一直在寻找关于时空组成的问题的答案,但迄今为止仍未成功

我敢肯定,我们大多数人都将时空连续性视为理所当然。这并不奇怪,因为我们并非每天都在考虑这样的事情。但是,如果您考虑一下,事实证明,回答时空是什么不是那么容易。

首先,根据爱因斯坦的相对论(GTR),宇宙具有三个空间维度和一个时间维度。同时,所有四个维度都有机地联系在一起,成为一个整体,几乎是相等的,并且在一定的框架和条件下能够相互转化。反过来,时空连续体或时空是一种物理模型,可以用时间维度补充空间。

时空是连续的。

在广义相对论的框架内,时空还具有单一的动力学性质,它与所有其他物理对象的相互作用就是重力。

在广义相对论的框架内,重力理论是时空理论,它不是平坦的并且能够改变其曲率。

从广义相对论还可以得出,重力是质量的结果,例如行星或恒星,它扭曲了时空的几何形状。美国宇航局于2004年发射的“重力探测器”飞船精确测量了地球引力在其周围的时空弯曲量,最终证实了爱因斯坦的计算结果。但是时空是从哪里来的呢?奇怪的是,答案可能隐藏在量子力学中。

如今物理学家正处于一场革命的边缘,该革命可能导致人们对时空认识的一切发生修订,也许还可以解释为什么量子力学看起来如此奇怪。

马里兰大学的物理学家布莱恩·斯温格(Brian Swingle)在《凝聚态物理年鉴》上发表的一篇文章中写道:“时空和引力最终必定会从其他事物中出现。” 否则,很难看到爱因斯坦的引力和量子力学的数学家如何调和它们长期以来的不相容性。

量子力学与广义相对论矛盾

爱因斯坦将引力视为时空几何学的一种表现是极为成功的。但是,量子力学也是如此,量子力学以无误的准确性描述了原子级的物质和能量的机加工。然而,试图找到将量子怪异性与几何引力结合起来的数学解决方案遇到了严重的技术和概念障碍。

至少很长一段时间以来,人们一直在试图理解普通的时空。一个可能的答案来自对替代时空几何的理论研究,这在原则上是可以想象的,但具有非同寻常的特性。一种这样的替代方法称为防虚假空间,它趋向于自身收缩,而不是像宇宙那样膨胀。当然,对于生活而言,这不是最宜人的地方。但是,作为研究量子引力理论的实验室,它提供了很多东西,甚至成为可能导致时空产生的量子过程的关键。

Anti-de Sitter空间的研究表明,例如,描述引力的数学(即时空的几何学)可能与一维较小的空间中的量子物理学数学等效。

想象一下全息图-包含二维图像的平坦二维表面。同样,也许时空的四维几何结构可以在三维空间中工作的量子物理学数学中进行编码。也许需要更多的测量-但是需要多少测量是要解决的问题的一部分。

量子纠缠是最难理解的科学理论之一

无论如何,朝这个方向进行的研究都提供了一个令人惊奇的机会:时空本身可以由量子物理学产生,特别是一种被称为量子纠缠的神秘现象。我在本文中详细讨论了什么是量子纠缠。

如果我们尝试用或多或少的简单词来解释它,那么量子纠缠就是被巨大距离分开的粒子之间的超自然联系。这些粒子从共同的源发出,无论它们相距多远,它们都始终纠缠在一起。如果测量一个粒子的属性(例如,自旋),您将知道测量另一个粒子的自旋的结果。但是在测量之前,尚未确定这些性质,这与常识相反,并且已通过许多实验得到证实。似乎在一个地方进行的测量确定了在另一个遥远地方进行的测量。

几位物理学家的努力为世界提供了理论证据,证明纠缠的量子态网络编织了时空结构。这些量子态通常被描述为“量子位”-量子信息的位。纠缠的量子比特创建的网络具有空间几何形状,其额外维度超出了量子比特所驻留的维度数量。因此,量子位的量子物理学可以等同于具有额外维度的空间几何。

总结一下,我注意到没有人确切地知道现实世界中的哪些量子过程负责编织时空结构。在现有计算中做出的某些假设也许会证明是错误的。但是,物理学完全有可能比以往更深入地渗透自然的基础。存在包含先前未知的空间和时间维度。

#科学

qrcode
访问手机版