量子力學(xué)與引力之間的沖突是現(xiàn)代物理學(xué)中最深刻的問題之一。量子力學(xué)主宰微觀世界，它極其成功地解釋了原子和亞原子粒子的行為。另一方面，引力的最好描述是愛因斯坦的廣義相對(duì)論，它將引力視為時(shí)空彎曲，能夠解釋行星運(yùn)動(dòng)、黑洞、以及宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。

然而，當(dāng)我們?cè)噲D將量子力學(xué)的規(guī)則應(yīng)用于引力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。嘗試將引力量子化會(huì)導(dǎo)致理論上的無限值，這些無限值無法用傳統(tǒng)的量子場(chǎng)論方法消除。這表明我們的理解還不完整，需要一個(gè)新的理論來統(tǒng)一量子力學(xué)和引力，這就是所謂的量子引力理論。

量子引力可能導(dǎo)致的一個(gè)現(xiàn)象是退相干。簡而言之，退相干描述了量子系統(tǒng)最初處于狀態(tài)疊加，但與環(huán)境相互作用后失去相干性，最終坍縮為一個(gè)確定的狀態(tài)。這種相干性的丟失對(duì)于解釋我們所經(jīng)歷的經(jīng)典世界至關(guān)重要，如果沒有它，日常生活中的物體就會(huì)表現(xiàn)出奇怪的量子行為，例如同時(shí)處于兩個(gè)地方。

尋找量子引力證據(jù)，以及由其引起的退相干，已經(jīng)成為理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中的核心目標(biāo)。接下來，我們將介紹用大氣中微子從量子引力中尋找退相干的一項(xiàng)研究。(www.wS46.com)

中微子是一種基本粒子，屬于標(biāo)準(zhǔn)模型中的一部分。它是一種電中性、質(zhì)量極小的粒子，通常被認(rèn)為是穩(wěn)定的，幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此在宇宙中可以自由地穿過物質(zhì)而不受阻礙。正是這種微弱的相互作用使它們成為宇宙的信使，它們的性質(zhì)在傳播過程中幾乎保持不變，攜帶了有關(guān)其起源的信息。

利用中微子作為量子引力探測(cè)器的關(guān)鍵在于它們具有進(jìn)行中微子振蕩的能力。在傳播過程中，這些幽靈般的粒子可以改變它們的“味”——在電子中微子、μ子中微子和τ中微子之間變換。這種振蕩是純量子力學(xué)效應(yīng)，取決于中微子的質(zhì)量和傳播距離。

冰立方中微子天文臺(tái)是一個(gè)巨大的探測(cè)器，位于南極冰蓋之下。這個(gè)立方公里級(jí)的設(shè)施就像一個(gè)巨大的中微子望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)這些難以捉摸的粒子與冰相互作用時(shí)留下的微弱痕跡。通過分析中微子的味成分和到達(dá)方向，科學(xué)家可以了解它們起源和性質(zhì)。

最近發(fā)表在《自然物理學(xué)》雜志上的一項(xiàng)最新研究，利用冰立方數(shù)據(jù)來尋找量子引力引起的退相干信號(hào)。研究人員專注于大氣中微子，它們宇宙射線和地球大氣層中的空氣分子碰撞產(chǎn)生的。這些中微子傳播的距離相對(duì)較短，約為數(shù)十到數(shù)百公里，然后被冰立方探測(cè)到。

該實(shí)驗(yàn)的核心思想是，如果量子引力存在并影響中微子傳播，它可能會(huì)導(dǎo)致它們?cè)趥鞑ミ^程中失去量子相干性。這將表現(xiàn)為中微子振蕩模式與基于標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的預(yù)期模式的偏差。該分析側(cè)重于高能中微子，這些高能中微子傳播得更遠(yuǎn)，為探測(cè)潛在的退相干效應(yīng)提供了更靈敏的探針。

對(duì)冰立方數(shù)據(jù)的分析表明，中微子振蕩行為與理論預(yù)期沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的偏差。然而，這個(gè)零結(jié)果并非一無所獲，該研究對(duì)中微子-量子引力相互作用給出了迄今為止最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)限制，這些限制遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基本量子引力模型的預(yù)測(cè)。這意味著所考慮的特定模型要么不完整，要么量子引力效應(yīng)變得顯著的能量尺度甚至比以前認(rèn)為的要高。