新理論表明時(shí)間存在于量子疊加態(tài)中，流逝時(shí)快時(shí)慢

薛定諤的貓不僅生死疊加，更是老少并存——新理論如是說。

史蒂文斯理工學(xué)院、科羅拉多州立大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員提出一項(xiàng)新理論，表明時(shí)間可以處于量子疊加態(tài)，同時(shí)以快慢兩種節(jié)奏流逝。

這項(xiàng)研究還揭示了量子技術(shù)如何為探索物理學(xué)根本奧秘提供新工具。

以時(shí)間為例，它既是深?yuàn)W難解的基礎(chǔ)概念，又是尋常可感的存在。我們在日常生活中處處用到時(shí)間，即便是GPS這類最精密的設(shè)備也離不開它。然而，人類對這一概念的認(rèn)知仍相當(dāng)有限。

愛因斯坦等偉大思想家曾試圖向我們闡釋時(shí)間及其流逝如何受運(yùn)動(dòng)與引力影響。可一旦疊加上量子理論，時(shí)間的流動(dòng)便變得反直覺起來。

根據(jù)相對論，每個(gè)時(shí)鐘都有其自身的時(shí)間流逝速度，這取決于它的運(yùn)動(dòng)速度和所處位置。例如，NIST的研究人員曾證明，使用超高精度時(shí)鐘時(shí)，一個(gè)以每秒10米速度運(yùn)行了5700萬年的時(shí)鐘，會(huì)比靜止的時(shí)鐘慢1秒。

這就是所謂的孿生子佯謬——若雙胞胎中一人以更快的速度旅行，兩人衰老程度便會(huì)不同。然而，當(dāng)從量子力學(xué)視角審視時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)鐘本身可以處于疊加態(tài)，時(shí)間的流逝也隨之進(jìn)入疊加狀態(tài)。

更通俗地說，這與薛定諤著名的貓思想實(shí)驗(yàn)相悖。在薛定諤的實(shí)驗(yàn)中，貓既死又活；而在這里，時(shí)間推移下貓卻既年輕又衰老。

"時(shí)間在量子理論與相對論中扮演著截然不同的角色，"史蒂文斯理工學(xué)院理論物理學(xué)助理教授伊戈?duì)枴てた品蛩够谛侣劯逯斜硎荆?我們的研究表明，將這兩個(gè)概念結(jié)合能揭示時(shí)間流逝中隱藏的量子特征，這些特征已無法用經(jīng)典物理學(xué)描述。"

十多年前，皮科夫斯基就曾提出，根據(jù)量子理論，時(shí)間應(yīng)處于疊加態(tài)。然而用實(shí)驗(yàn)證明這一點(diǎn)十分困難。如今，研究人員確信，新一代原子鐘及已開發(fā)的其他量子技術(shù)將能夠展示這一現(xiàn)象。

研究團(tuán)隊(duì)合作探究了相對論時(shí)間與原子鐘內(nèi)量子效應(yīng)的相互作用。他們將捕獲鋁離子、鐿離子等單離子的原子鐘冷卻至絕對零度，再用激光脈沖操控其量子態(tài)。

"現(xiàn)在的原子鐘極其靈敏，能探測到由微小溫度下的熱振動(dòng)引起的細(xì)微時(shí)間差異，"參與該研究的史蒂文斯理工學(xué)院博士生加布里埃爾·索爾奇補(bǔ)充道，"但即便在絕對零度的基態(tài)下，僅憑量子漲落本身仍會(huì)影響走時(shí)速率。"

研究人員更進(jìn)一步，甚至對真空本身進(jìn)行了操控，創(chuàng)造出壓縮態(tài)，使時(shí)鐘的位置與速度呈現(xiàn)量子行為。

最終結(jié)果是相對論時(shí)間的直觀體現(xiàn)——疊加與糾纏現(xiàn)象涌現(xiàn)，單個(gè)時(shí)鐘同時(shí)測得自身走快與走慢兩種速率。

這項(xiàng)理論論文已發(fā)表于《物理評論快報(bào)》，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)很快將開展實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

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