弯曲的现实：南极冰川中的爱因斯坦与量子力学

爱因斯坦的广义相对论解释说，引力是由空间和时间方向的曲率引起的。我们最熟悉的万有引力就是地球引力，它让我们站在地面上，也解释了为什么球会掉到地上，人踩在天平上会有重量。另一方面，在高能物理领域，科学家研究的是微小的看不见的物体，这些物体遵守量子力学定律，其特点是随机波动，造成电子、质子和中子等粒子的位置和能量的不确定性。

南极洲星空下的冰立方实验室。图片来源：马丁-沃尔夫，冰立方/NSF

要解释物质和光在亚原子尺度上的行为，就必须理解量子力学的随机性。

几十年来，科学家们一直试图将这两个研究领域结合起来，实现对引力的量子描述。这将结合与广义相对论相关的曲率物理学和与量子力学相关的神秘随机波动。

美国得克萨斯大学阿灵顿分校的物理学家在《自然-物理》杂志上发表了一项新研究报告，他们利用设置在南极冰川深处的粒子探测器探测到的超高能量中微子粒子，对这两种理论之间的界面进行了深入的新探索。

DOM 降入阵列，开始采集数据。资料来源：马克-克拉斯伯格，冰立方/NSF

物理学副教授本杰明-琼斯（Benjamin Jones）说："将量子力学与引力理论统一起来的挑战仍然是物理学中最紧迫的未决问题之一。如果引力场的行为方式与自然界中的其他场类似，那么它的曲率就应该表现出随机量子波动。"

琼斯和UTA研究生阿克希玛-内吉（Akshima Negi）、格兰特-帕克（Grant Parker）是冰立方国际合作团队的成员，该团队包括来自美国各地以及澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、德国、意大利、日本、新西兰、韩国、瑞典、瑞士、台湾和英国的300多名科学家。

德克萨斯大学阿灵顿分校物理学副教授本杰明-琼斯。图片来源：德克萨斯大学阿灵顿分校

为了寻找量子引力的特征，研究小组在南极洲南极附近一平方公里的范围内放置了数千个传感器用于监测中微子，中微子是一种电荷中性、没有质量的不寻常但却非常丰富的亚原子粒子。研究小组对 30 多万个中微子进行了研究。他们想看看这些超高能量粒子在地球上长途旅行时，是否会受到时空中随机量子波动的干扰，如果引力是量子力学的，那么这种波动是意料之中的。

内吉说："我们通过研究冰立方天文台探测到的中微子的味道来寻找这些波动。我们工作的结果是，测量结果比以前的测量结果灵敏得多（对某些模型而言，灵敏度超过一百万倍），但却没有发现预期的量子引力效应的证据。"

没有观测到时空的量子几何，这有力地说明了在量子物理学和广义相对论交界处运行的仍然未知的物理学。

琼斯说："这项分析是UTA近十年来为冰立方天文台所做贡献的最后一章。我的小组现在正在进行新的实验，旨在利用原子、分子和光学物理技术了解中微子质量的起源和价值。"