芝加哥大學(xué)研究人員做了一個物質(zhì)場的實(shí)驗(yàn)觀察，該物質(zhì)場的熱波動與盎魯輻射預(yù)測一致，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然物理》上，為探索彎曲時空中量子系統(tǒng)的動力學(xué)開辟了新可能性。

開展這項(xiàng)研究的研究人員之一Cheng Chin：我們在芝加哥大學(xué)的團(tuán)隊(duì)一直在研究一種叫做玻色煙火的新量子現(xiàn)象，這是我們兩年前發(fā)現(xiàn)的，與一種叫做盎魯輻射的引力現(xiàn)象之間隱藏的聯(lián)系。

盎魯效應(yīng)，或曰盎魯輻射，與霍金輻射密切相關(guān)。1974年理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)預(yù)測，黑洞附近強(qiáng)大引力會導(dǎo)致粒子的熱輻射，類似于烤箱發(fā)出的熱浪。這一現(xiàn)象仍然是推測性的，沒有直接的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。幾年后，也就是1976年物理學(xué)家威廉·安魯(William盎魯)假設(shè)，當(dāng)一個人以高加速度運(yùn)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于愛因斯坦的等價原理，這一原理現(xiàn)已被許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

除了盎魯?shù)念A(yù)測，還沒有人觀察到盎魯輻射，這并不奇怪，因?yàn)檫@種現(xiàn)象特別難以捕捉。事實(shí)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(shù)字，考慮到，例如一個戰(zhàn)斗機(jī)飛行員所經(jīng)歷的重力不超過10G。在實(shí)驗(yàn)室里，通過精確地調(diào)節(jié)玻色-愛因斯坦凝聚體與磁場的關(guān)系來模擬昂魯物理學(xué)。即使我們的樣本沒有移動，調(diào)制效果也與將樣本提升到加速參考系相同。

觀察到2微開爾文的輻射，測量結(jié)果非常符合盎魯?shù)念A(yù)測，并證實(shí)了輻射場的量子性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)中，Chin和同事們準(zhǔn)備了6萬個銫原子，并將它們冷卻到10納米開爾文左右，然后開始對磁場進(jìn)行調(diào)制。在調(diào)制后幾毫秒，觀察到原子在各個方向的熱發(fā)射。為了確定原子的熱分布，研究人員收集了大量的樣品，結(jié)果表明原子數(shù)的波動與熱玻爾茲曼分布密切相關(guān),從這些圖像中提取的溫度非常符合盎魯?shù)念A(yù)測。

除了熱分布，還觀察了物質(zhì)波發(fā)射的時空相干性。相干性是量子力學(xué)的重要特征，揭示了盎魯輻射起源于量子力學(xué)。這與傳統(tǒng)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(zhì)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(zhì)波場。觀察到這種物質(zhì)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(yù)測一致。

該研究由芝加哥大學(xué)的研究小組進(jìn)行，由國家科學(xué)基金會、陸軍研究辦公室和芝加哥MRSEC資助。在未來，觀測結(jié)果可能對研究彎曲時空中的量子現(xiàn)象具有重要意義。該方法適用于非慣性參考系中的一般量子態(tài)，在我們未來的研究中，科學(xué)家希望在彎曲時中發(fā)現(xiàn)新的量子現(xiàn)象。關(guān)于愛因斯坦的廣義相對論是否與量子力學(xué)相容，已經(jīng)有很多討論。有各種建議、猜測，甚至是悖論，開展實(shí)驗(yàn)，幫助更好地理解量子力學(xué)在彎曲時空中是如何的。

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參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0537-1

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