意大利地下实验排除了量子退相干的重力理论 | 科学

意大利地下实验排除了量子退相干的重力理论... - 天龙八部

据《新物理学杂志》2026年6月发表的一项研究，由意大利格兰萨索国家实验室（INFN-LNGS）进行的一项深地实验，首次以高精度排除了一个已有数十年历史的、关于重力导致量子退相干的理论模型。该实验在地下1.4公里处，使用高纯度锗探测器连续监测了62天，未检测到该理论预测的任何微弱辐射信号。这一结果为理解量子力学与重力之间的根本关系提供了关键实验约束。

量子退相干的未解之谜

量子力学允许粒子同时存在于多种可能状态的叠加之中，这就是著名的“薛定谔的猫”思想实验所描绘的悖论——一只既死又活的猫。然而，我们日常生活中的宏观物体并不表现出这种奇特的量子行为。物理学家将这种量子效应的消失称为“退相干”。据路透社报道，尽管退相干现象已被广泛接受，但其根本原因，特别是重力是否在其中扮演角色，仍是基础物理学中最大的未解之谜之一。

卡洛伊哈兹模型：重力波动的假设

实验针对的核心理论是匈牙利理论物理学家弗里杰什·卡洛伊哈兹在20世纪60年代提出的模型。根据爱因斯坦的广义相对论，大质量物体会弯曲时空结构。卡洛伊哈兹在此基础上提出，时空本身可能也存在微小的、不可避免的波动。他的模型认为，这些时空波动会逐渐破坏量子叠加态。意大利国家核物理研究所（INFN）的研究主任、FQxI成员卡特琳娜·库尔切努表示：“现代物理学最深的问题之一，就是为什么支配原子和基本粒子的奇特量子行为，在我们每天经历的宏观世界中似乎消失了。”该模型近年来被FQxI的安杰洛·巴希及其同事重新审视并完善。

实验设计与艰难搜寻

卡洛伊哈兹模型预测的时空波动无法直接探测，但它应有一个可测量的副作用：这些波动会使带电粒子随机加速，从而发射出极其微弱的电磁辐射。为了寻找这种信号，研究人员选择了位于意大利格兰萨索山下的国家实验室。该实验室上方覆盖着1.4公里的岩石，能有效屏蔽宇宙射线等背景干扰。实验核心是一个咖啡杯大小的高纯度锗晶体探测器，并额外包裹了铜和铅层进行防护。研究人员在62天内收集了数据，然后扣除了预期的背景辐射。

无信号：一个重大的科学结果

将处理后的数据与卡洛伊哈兹模型预测的辐射模式进行比较后，结果简单而直接：没有发现任何信号。库尔切努明确指出：“没有信号本身就是一个重大的科学结果。通过排除了最古老且最自然的引力诱导退相干模型之一，这项工作缩小了对描述重力与量子力学相互作用理论的搜索范围，使我们离理解基础物理学中最深奥的谜团之一更近了一步。”来自彭博社的独立分析也确认，该实验的灵敏度足以排除卡洛伊哈兹模型的一个重要变体。

量子引力理论与可测试的边界

虽然这项实验并未完全证明重力与量子退相干无关，但它为未来的理论设定了更严格的边界。卡洛伊哈兹模型基于一个假设，即自然可能对位置或距离的测量精度设定了基本极限。类似的概念在弦论和圈量子引力等现代统一理论中也反复出现。该实验的负责人、意大利恩里科·费米研究中心的量子物理学家克里斯蒂安·皮斯奇基亚指出：“每一种量子引力方法最终都会预测一个与时空测量不确定性相关的最小长度存在。”

Q1: 这个实验是否证明重力与量子退相干完全无关？

A1: 不。实验只是排除了一个特定的、由卡洛伊哈兹提出的重力诱导退相干模型。它未否认重力可能以其他方式导致退相干，但为未来理论提供了关键的实验约束，迫使物理学家探索其他可能性。

Q2: 为什么选择在格兰萨索地下实验室进行这项实验？

A2: 因为该实验寻找的信号极其微弱，极易被宇宙射线等背景辐射淹没。格兰萨索实验室上方1.4公里的岩石提供了天然屏蔽，创造了地球上最安静的环境之一，使探测这类罕见现象成为可能。

理论、测量与未来方向

库尔切努总结道：“精密的实验现在已达到足够高的灵敏度，可以检验那些直到最近还几乎完全属于理论思辨领域的想法。随着灵敏度的提高，理论与测量之间的界限不断被打破，为发现支配宇宙的基本原理开辟了新的可能性。”这项由基础问题研究所（FQxI）支持的研究表明，即便是最深奥的物理学问题，也可能在实验室中得到严格的检验，从而推动我们对现实本质的理解迈向新的高度。

突发事件

意大利格兰萨索地下实验室进行的一项为期62天的实验，首次以高精度排除了关于重力导致量子退相干的卡洛伊哈兹模型。该研究为理解量子力学与重力关系提供了关键实验约束，发表在《新物理学杂志》上。