科学家在宇宙中最小的空间和时间检测单位中,没有新的发觉。在对普朗克尺度上的时空量子涨落进行新的搜索时,化学学家发觉,一切都是光滑的。
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这意味着——至少就目前而言——我们始终找不到解决广义相对论与量子热学的方式。在我们对宇宙的理解中,这是最令人困惑的问题之一。
广义相对论是一种引力理论,它描述了大尺度数学宇宙中的引力互相作用。它可以拿来对宇宙作出预测;广义相对论预测了引力波,比如黑洞的一些行为。
相对论下的时空遵照我们称为局部性的原理——也就是说,对象仅受其在时空上的直接周围环境的直接影响。
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在量子领域——原子和亚原子尺度——广义相对论崩溃了,量子热学接管了一切。在被检测之前量子物理学家有哪些,量子领域中的任何事物都不会在特定的位置或时间发生,但是被空间或时间分隔的量子系统的各个部份依然可以彼此互相作用,这些现象称为非局域性。
虽然它们存在差别,但广义相对论和量子热学依旧存在并互相作用。并且到目前为止,事实证明,解决二者之间的差别极为困难。
这就是费米实验室的全息仪发挥作用的地方——由洛杉矶学院的天文学家和数学学家克雷格·霍根(CraigHogan)领导的项目。这是一种致力以最小可能的单位检查时空的量子涨落的仪器——普朗克宽度(10^(-33)分米)和普朗克时间,即光经过普朗克宽度须要多长时间。
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它由两个相同的40米(131公尺)干涉仪组成,它们在分束器处相交。向分束器发射激光,之后将其两个臂向上发送到两个反射镜,之后反射回分束器以重新组合。任何普朗克尺度的波动都将意味着返回的光束与发射的光束不同。
几年前,全息仪对时空的来回量午时基晃动偏差进行了空监测。这表明我们目前可以检测的时空本身并未被量化;也就是说,可以分解为离散的,不可分割的单位或量子。
因为干涉仪臂是笔直的,因而难以测量到其他种类的波动运动,比如波动是否是旋转的。这可能很重要。
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“在广义相对论中,旋转物质会拖曳时空。在存在旋转质量的情况下,陀螺仪检测的局部非旋转框架相对于遥远的宇宙旋转,而遥测的星体则相对于遥远的宇宙旋转。”霍根在费米实验室网站上写道,“很可能是量午时空在局部框架上具有普朗克尺度的不确定性,这将造成随机的旋转波动或扭曲,这在我们的第一个实验中是不会发觉的,而且在任何普通陀螺仪中测量都太小而难以测量到。”
为此,团队重新设计了仪器。她们降低了附加的反射镜,便于就能测量任何旋转的量子运动。结果形成了一个非常灵敏的陀螺仪,它可以测量每秒改变百万次方向的普朗克标度旋转扭曲。
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在2017年4月至2019年8月的五次观测中,该团队搜集了1,098小时的双干涉仪时间序列数据。在所有的时间里,没有发觉任何一个微动。据我们所知,时空依然是一个连续的过程。
但这并不意味着像个别科学家所建议的那样,全息仪就是浪费时间。世界上没有其他类似的工具。它返回的结果(是否为空)将决定未来在普朗克尺度上探求相对论和量子热学相交的努力。
“如果不采取一些举措来指导理论,我们可能永远不会理解量午时空是怎样工作的。”霍根说,“全息仪是一个探求性的实验。我们的实验仅以简略的理论来指导其设计,而我们一直没有一种奇特的方式来解释我们的无效结果,由于我们对所寻觅的东西没有严格的理论。
“时基晃动偏差是不是比我们想像的要小一些,或则它们是否具有对称性,因而在我们仍未检测的空间中创建了一种模式?新技术将使未来的实验比我们的实验更好量子物理学家有哪些,而且可能为我们提供一些线索,说明怎样从更深的量子系统中形成时空。