“量子纠缠态”实验证实空间的各向同性

爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论，物理学家和宇宙学家将理论构建在落实在坚实的基础上，一个普遍接受的显而易见的假设是空间性质在所有的方向相同或空间各向同性，空间没有方向的偏好或“顾此薄彼”的倾向。空间的各向同性是指空间的一个方向不比另一个方向有更多的异质性，不会产生诸如：在一个方向受到挤压，在另一个方向受到拉伸的差异性，不存在不同方向的空间不均匀性。加州大学伯克利分校的物理学家在一项实验中使用了部分原子缠绕的方法，他们设想用量子计算机确定量子比特的数量，将量子信息实验做到比以往任何时候都要精确，实验精确度达到了十亿的十亿分之一，实验结果证实了空间的各向同性假说。

爱因斯坦在建立狭义相对论时受到“以太实验”的灵感启发，1887年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷做了一项经典的光学物理实验，两位实验物理学家在克利夫兰进行了著名的“迈克尔逊—莫雷实验”，实验结果否定了弥散在太空的媒介物质“以太”，光子通过“以太”传播的经典理论顷刻化为乌有。物理学家在以太实验进行之前普遍认为，光在“以太”媒介的传播好似波在水介质的波动。加州大学伯克利分校的物理学助理教授哈特穆特·赫芬纳解释说，新的实验证实了空间的各向同性，光在空间各个方向的传播速度相同，与光在向上、向下，向左、向右的转播方向无关。

迈克尔逊-莫雷实验证明了空间的不可挤压性，空间的各向同性或空间的均匀性是时空物理学的基础，物理学标准模型也不例外。假如人们放弃了空间各向均匀的“公理'，那么整个物理标准模型的大厦就会倒塌，物理学家因此对空间各向同性的检验产生了浓厚的兴趣。粒子物理学的标准模型描述了所有类型基本粒子的相互作用，标准模型的前提条件是所有的粒子和场经过了洛伦兹变换后保持不变，无论粒子的运动方向怎样，它们的物理行为保持不变。

赫芬纳领衔的团队进行的实验与迈克尔逊—莫雷实验有相似性，但他们在实验中用电子代替了光子，他们在一个真空室内分离了两个钙离子，它们在量子计算机内发生了部分的相互缠绕，在地球24小时的自转条件下，观测粒子的电子能量。如果空间在一个方向或更多方向受到了挤压，那么真空室粒子的电子能量会发生12小时的周期变化，实验过程没有出现电子能量变化的结果。实验数据显示，空间各向同性的精确度达到十亿的十亿倍（10的18次方）分之一，这一精确度比其它以电子为对象的实验提高了100倍。

赫芬纳科学团队的实验精度比迈克尔逊—莫雷的光子实验提高了5倍。实验结果否定了其中的一个理论，该理论以空间的各向异性对粒子物理的标准模型进行延伸。赫芬纳团队在日本埼玉县的量子计量实验室开展实验合作研究，《自然》杂志公布了实验结果。他们在实验中使用了缠绕的离子，对空间各向同性进行检测，实验涉及到量子计算机体系，他们使用了诸如量子比特（qubits）概念的电离原子，从电离原子中分离的电子波函数产生了相互缠绕，两个相互缠绕的电子比特变成了敏感性的探测器，对轻微的空间扰动进行测量。

目前的数字计算机不能探测和计算空间轻微的扰动，科学团队期待以精确的实验手段将量子计算机应用到完全不同的物理领域。大胆而精细的实验让他们体验了新鲜而复杂的心情。他们的量子实验与其他科学家进行的类似实验没有发生冲突，但与其它类似的实验有一定的差别。科学团队计划研制高灵敏的量子计算机探测器，在实验中使用其它类型的离子，比如：钼原子，他们将洛伦兹对称性测量的精度提升了10,000倍。

科学团队在未来的实验中将和其它科学机构开展合作研究，以探测空间变形的可能，空间变形可能由暗物质粒子引起，暗物质占到宇宙总物质的27%，人们对暗物质的神秘性知之甚少，它们和空间的相互作用只是物理学家的一种猜测。赫芬纳领衔的实验团队第一次使用了量子信息工具，以检测空间的基本对称性。实验仪器进入了量子状态，抵御了普遍的噪声干扰，仪器的灵敏度达到了特定高度，可以检测离子是否违反了洛伦兹变换的效应，实验的设计和仪器的可行性令人十分惊奇，对空间扰动进行了十分精确的检测，实验项目的物理意义简明而深远。

（编译：2015-2-2）