测量地球自转的方法不少,过去也取得大量研究成果,但科学家最近首次利用量子纠缠方法测量地球自转速度,不只促进理解量子世界如何与重力相互作用,也为不相容的量子力学、广义相对论提供突破口。
Sagnac干涉仪是对旋转最敏感的装置,一直在基本物理学实验中发挥关键作用,替爱因斯坦建立狭义相对论做出贡献,还能测量时空本身的微小涟漪,即重力波。随著技术进步,干涉仪还可以使用各种不同量子系统进行操作,包括电子、中子、原子、超流体、玻色–爱因斯坦凝态(Bose-Einsteincondensate)等。
如今,维也纳大学物理学家PhilipWalther团队甚至利用它作为测量地球转速的终极工具,透过量子纠缠方法检测旋转效应。
首先,科学家发送一对相互纠缠的光子进入干涉仪,在装置内部,光子可顺时针或逆时针穿过光纤环,由于纠缠特性,这2个光粒子沿著2公里长的闭合路径往相反方向行进,在不同时间抵达起点。
它们的行为就像同时测试两个方向的单一粒子,由于地球旋转,不同路径对应的行进距离略有不同(对观察者来说,朝其中一个方向行进的光显得更快,朝另一相反方向行进的光显得更慢),使得纠缠光子出现萨格纳克效应(光波相对速度差异导致两束光之间的相移),引起量子干涉。
测量结果确认相移仅由地球自转引起,对应之地球自转速率与当前已知的地球旋转速度一致。
这项研究结果与方法进一步验证基于纠缠的装置,对侦测旋转的灵敏度有所提升,或将有助于未来透过时空曲线测量量子纠缠行为的实验。
新论文发表在《ScienceAdvances》期刊。
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