[论文解读] Conceptual tensions between quantum mechanics and general relativity: Are there experimental consequences?

R. Y. Chiao|ArXiv.org|Nov 25, 2002

Quantum Mechanics and Applications参考文献 7被引用 13

一句话总结

本文提出，宏观量子流体——如超导体、超流体和量子霍尔系统——可能作为量子换能器，通过电磁（EM）场与引力（GR）场之间的最小耦合相互作用，将电磁波转换为引力波，反之亦然。其主要贡献在于提出了一套理论框架，表明由于这些量子流体具有非局域、相干的基态，可能实现基于量子效应的新型引力辐射探测与产生，为‘引力无线电’提供了一条可通过赫兹式实验装置进行验证的路径。

ABSTRACT

One of the conceptual tensions between quantum mechanics (QM) and general relativity (GR) arises from the clash between the spatial nonseparability} of entangled states in QM, and the complete spatial separability of all physical systems in GR, i.e., between the nonlocality implied by the superposition principle, and the locality implied by the equivalence principle. Possible experimental consequences of this conceptual tension will be discussed for macroscopically entangled, coherent quantum fluids, such as superconductors, superfluids, atomic Bose-Einstein condensates, and quantum Hall fluids, interacting with tidal and gravitational radiation fields. A minimal-coupling rule, which arises from the electron spin coupled to curved spacetime, leads to an interaction between electromagnetic (EM) and gravitational (GR) radiation fields mediated by a quantum Hall fluid. This suggests the possibility of a quantum transducer action, in which EM waves are convertible to GR waves, and vice versa.

研究动机与目标

• 探究量子力学（非局域性）与广义相对论（局域性）之间的概念张力是否会在宏观量子系统中导致可实验观测的效应。
• 探索利用量子流体作为换能器，将电磁波与引力波相互转换的可能性。
• 提出在弯曲时空中的量子流体的最小耦合规则，实现电磁场与引力场之间的交叉耦合。
• 激励对基于量子效应的引力波探测的实验检验，其方法与LIGO等经典激光干涉方法相区别。
• 通过利用纠缠量子流体的非局域性，为实验物理开辟新的研究途径。

提出的方法

• 推导一个广义的金兹堡-朗道方程，引入电磁场与引力场的最小耦合，包含电磁场与引力场的矢量势 a 和 b。
• 在横波无迹规范下，应用测地线偏离方程的长波长极限，推导出电磁场与引力场之间的交叉耦合哈密顿量 H_int ∼ a·b。
• 将量子流体（如量子霍尔系统）建模为具有非对角长程序（ODLRO）的宏观多体相干态，使其对引力扰动表现出非局域响应。
• 利用有效作用量形式化描述引力波如何通过集体的、量子化的激发，诱导跨越量子霍尔能隙的跃迁。
• 提出一种基于高温超导体（如YBCO）的赫兹式实验装置，用于测量电磁波到引力波转换的效率。
• 分析量子流体对弱外部扰动的线性响应，对比经典流体行为与量子流体不可压缩、无耗散且相干的响应特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导体或量子霍尔系统等量子流体能否作为换能器，实现电磁波与引力波之间的相互转换？
• RQ2 在纠缠量子流体中，空间非可分性（非局域性）在电磁场与引力场之间的耦合中起什么作用？
• RQ3 在弯曲时空中的量子场最小耦合规则如何导致电磁场与引力场之间的交叉耦合哈密顿量？
• RQ4 量子流体对引力辐射的响应与经典流体响应之间，有哪些可区分的实验特征？
• RQ5 能否在实验上测量量子流体中电磁-引力波转换的效率？这对未来引力波探测意味着什么？

主要发现

• 量子流体的最小耦合规则导致电磁场与引力场矢量势之间的交叉耦合哈密顿量 H_int ∼ a·b，从而实现电磁波与引力波的转换。
• 量子霍尔流体只能通过跨越能隙的集体、量子化激发被引力波激发，表明其响应具有根本性的量子特性，与经典流体截然不同。
• 由于其不可压缩、无耗散且相干的特性，该系统可作为量子天线，实现与弱引力辐射的高效耦合。
• 理论分析表明，由于其非对角长程序，量子流体对引力波的电流-电流关联函数与经典流体不同。
• 已使用YBCO高温超导体在微波频率下开展初步实验，以测量换能器效率，结果尚待发表。
• 该框架提出了一条新实验途径——‘引力无线电’，其中量子换能器可利用量子相干性生成与探测引力波，潜在地超越经典探测方法。