原子環(huán)路可以解決宇宙引力問題

什么時候交通擁堵不是堵車?當然，當它是量子交通擁堵時。只有在量子物理學中，流量才能保持靜止并同時移動。

標準與技術研究院(NIST)和馬里蘭大學的科學家們發(fā)表的一篇新的理論論文表明，故意用數千個超冷原子環(huán)形成這樣的交通堵塞，可以精確測量運動。如果使用正確的實驗裝置實施，原子可以提供重力的測量，甚至可以在短至10微米的距離處 - 大約十分之一的人發(fā)寬度。

雖然作者強調仍有大量工作要證明這樣的測量是可以實現的，但潛在的收益可能是在非常短的長度范圍內澄清重力的拉力。異?？梢蕴峁┲亓π袨榈闹饕€索，包括為什么我們的宇宙似乎正以加速的速度擴張。

除了可能回答深刻的基本問題之外，這些原子環(huán)也可能具有實際應用。它們可以使運動傳感器比以前更加精確，或者作為量子計算機的開關，其中0表示原子阻塞，1表示原子流量。

該論文的作者隸屬于聯合量子研究所 和量子信息與計算機科學聯合中心，這兩者都是NIST與馬里蘭大學之間的合作伙伴關系。

在過去的二十年中，物理學家們探索了一種稱為玻色 - 愛因斯坦凝聚體(BEC)的異質物質狀態(tài)，當原子在寒冷的溫度下相互重疊時，存在一種遠離絕對零度的微生物。在這些條件下，微小的原子云基本上可以成為一個大量的“超級原子”，使科學家們更容易探索超導性和超流性等潛在有用的特性。

理論物理學家斯蒂芬拉格爾和杰克泰勒，該論文的作者，現在已經提出，BEC理念的變化可用于感知旋轉甚至探索短距離的重力，其中諸如電磁的其他力量通常壓倒重力的影響。這個想法是使用激光束 - 已經常用于操縱冷原子 - 將幾千個原子串在一起形成直徑為10到20微米的環(huán)。

一旦形成環(huán)，激光就會輕輕地將其攪動，使原子在它周圍循環(huán)，就像汽車一個接一個地沿著單車道環(huán)形路行駛。就像汽車輪胎沿著人行道一樣旋轉時，原子的特性會吸收周圍世界的影響 - 包括幾微米以外的質量引力。

該環(huán)將利用量子力學中的一種反直覺行為來幫助科學家實際測量其原子對重力的影響。激光可以將原子攪拌成所謂的“疊加”，這意味著，實際上，它們將在環(huán)上循環(huán)并同時處于靜止狀態(tài)。這種流動和阻塞的疊加將有助于在消除激光約束后的幾個關鍵毫秒內維持環(huán)原子之間的關系，足夠的時間在它們散射之前測量它們的屬性。

這種量子交通堵塞不僅可以克服困難的重力測量挑戰(zhàn)，而且可能有助于物理學家拋棄關于宇宙的許多競爭理論中的一些 - 可能有助于消除長期存在的交通堵塞。

例如，宇宙的一個重大謎團就是為什么它以明顯加速的速度擴張。物理學家已經提出了一種被稱為“暗能量”的向外力量引起了這種擴張，但他們尚未發(fā)現它的起源。許多理論中的一個是，在空間的真空中，短暫的虛擬粒子不斷出現并眨眼，它們的相互排斥會產生暗能量效應。雖然這在某些層面上是一個合理的解釋，但物理學家們計算出這些粒子會產生如此大的排斥力，以至于它會立即將宇宙分開。那么他們如何才能將觀察與虛擬粒子理念相協調?

“一種可能性是，時空的基本結構只響應相距幾微米的虛擬粒子，”泰勒說，“這就是我們用這個冷原子環(huán)探索的那種分離。因此，如果事實證明你可以忽略在這些短長度尺度上運行的粒子的影響，你可以解釋很多這種未被觀察到的排斥能量。它會在那里，它不會影響宇宙尺度上的任何東西。“