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　　時(shí)空是連續(xù)的嗎？這是一個(gè)哲學(xué)問題，也是一個(gè)物理學(xué)問題。

　　過去，我們一直以為時(shí)空是連續(xù)的。但是標(biāo)準(zhǔn)模型逐漸并不能解釋許多現(xiàn)象，比如質(zhì)量的形成機(jī)制、CP不守恒、中微子振蕩、重子不對(duì)稱性以及暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。因而，超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)誕生。比如上個(gè)世紀(jì)誕生的量子力學(xué)，就給人們帶來了全新的思路。能量、角動(dòng)量這些基本單位都是不連續(xù)的，也就是離散的，那么，時(shí)空會(huì)不會(huì)也是離散的？

由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產(chǎn)生時(shí)的景象

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　　“時(shí)空是離散的”這一觀點(diǎn)最線誕生于1987年，被稱為圈量子引力（loop quantum gravity）理論。這一理論建立在惠勒-德威特方程的基礎(chǔ)上?；堇?德威特方程將整個(gè)宇宙空間看成波函數(shù)，這個(gè)波函數(shù)的演化滿足薛定諤方程。然而這一方程存在諸多問題，因此后來逐漸被淘汰。

　　那么圈量子引力理論又是什么樣的呢？

　　圈量子引力理論，又譯回圈量子引力論，英文別名圈引力（loop gravity）、量子幾何學(xué)（quantum geometry），由阿貝·阿希提卡、李·斯莫林、卡洛·羅威利等人發(fā)展出來的量子引力理論，與弦理論同是當(dāng)今將重力量子化最成功的理論。

　　之所以被稱為圈量子引力理論，是因?yàn)檫@個(gè)理論涉及到一個(gè)積分，這個(gè)積分是沿著時(shí)空中的一些小圈進(jìn)行。而且，該理論采用的并非薛定諤方程，而是采取了海森堡方程的模式，其中需要找到一對(duì)正則變量來進(jìn)行量子化。

　　在此理論下，時(shí)空描述的背景是獨(dú)立的，由關(guān)系性循環(huán)織出的自旋網(wǎng)絡(luò)鋪成時(shí)空幾何。網(wǎng)絡(luò)中每條邊的長(zhǎng)度為普朗克長(zhǎng)度。循環(huán)并不存在于時(shí)空中，而是以循環(huán)扭結(jié)的方式定義時(shí)空幾何。在普朗克尺度下，時(shí)空幾何充滿隨機(jī)的量子漲落，因此自旋網(wǎng)絡(luò)又稱為自旋泡沫。在此理論下，時(shí)空是離散的。

圈量子引力理論中的簡(jiǎn)單自旋網(wǎng)絡(luò)形態(tài) 圖源：Wikipedia

　　在該模型中，最重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)為四面體，其四個(gè)面的面積可以存在量子波動(dòng)。最新的這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，正是通過計(jì)算機(jī)構(gòu)造了量子四面體。

　　這項(xiàng)發(fā)表于《自然·物理學(xué)通訊》，研究團(tuán)隊(duì)為萬(wàn)義頓、魯大為、曾蓓組織的華人研究團(tuán)隊(duì)。

　　現(xiàn)在大熱的量子計(jì)算機(jī)，是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。既然是量子計(jì)算機(jī)，就需要有一個(gè)量子系統(tǒng)。在這項(xiàng)工作中，研究人員使用核磁共振量子系統(tǒng)，制備了量子四面體對(duì)應(yīng)的量子態(tài)。

　　不同于傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，它使用量子算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。量子計(jì)算機(jī)擴(kuò)展了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)原有的限制。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來描述，如二能級(jí)系統(tǒng)，也被稱為量子比特（qubits）。

　　為了獲得量子比特，研究團(tuán)隊(duì)使用了巴豆酸分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它的分子式為C4H6O2，包含4個(gè)碳原子，退相干時(shí)間很長(zhǎng)，適合做量子計(jì)算。研究人員表示，他們?cè)谑覝叵率褂?00兆赫茲的布魯克核磁共振譜儀，對(duì)量子比特進(jìn)行操控和測(cè)量。通過這個(gè)4量子比特系統(tǒng)，他們構(gòu)造出一個(gè)可以模擬量子四面體的空間。

巴豆酸分子 圖源：Wikipedia

　　研究人員用碳13標(biāo)記了這一分子，我們知道，碳原子核的個(gè)數(shù)是奇數(shù)，它的核自旋是1/2，核自旋為1/2的碳原子在磁場(chǎng)中發(fā)生能級(jí)分裂，形成2能級(jí)系統(tǒng)，也就是量子比特。

　　該實(shí)驗(yàn)不僅僅是制造出量子態(tài)這么簡(jiǎn)單。為了驗(yàn)證圈量子引力理論，研究人員需要驗(yàn)證其量子四面體的性質(zhì)。從幾何意義上來說，因?yàn)樗拿骟w是封閉的，所以這個(gè)量子態(tài)必須滿足一定的條件，也就是四個(gè)角動(dòng)量算子求和以后，作用到這個(gè)量子態(tài)必須等于零。通過依據(jù)這些輸出數(shù)據(jù)，可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)制備量子四面體的角動(dòng)量是否滿足，算子求和后是不是等于零。

　　結(jié)果表明，他們用巴豆酸分子制備量子四面體對(duì)應(yīng)的量子態(tài)，四面體角動(dòng)量算子求和后，的確為零。

　　這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，量子計(jì)算機(jī)可以模擬量子時(shí)空。

　　此外，這是華人科學(xué)家主導(dǎo)的用量子計(jì)算機(jī)模擬的量子引力。這些進(jìn)展將促進(jìn)量子引力推進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室階段。并且為驗(yàn)證理論，解釋時(shí)空的連續(xù)性，提供了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐。



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