[爆卦] 科學家用原子激發來測量時空旋轉

https://arxiv.org/pdf/2408.13016

參考系拖曳是愛因斯坦廣義相對論的預測。奧地利的Josef Lense和Hans Thirring於1918年發現當大質量物體旋轉時會在其旋轉方向上拖動周圍時空，因此附近的距離和角度測量將會改變，相對於遙遠觀察者而言，空間和時間可能部分混合。這種效應被稱為Lense–
Thirring效應，拖曳旋轉速度取決於角動量和質量及距離。該效應即使在愛因斯坦方程的弱場極限下依然存在。

NASA等組織已測到參考系拖曳的天文證據，然而此方法需要用恆星來確定望遠鏡上傳感器的品質和可靠性。北京計算科學研究中心的劉瑞臣和孫昌平為此提出用量子糾纏測量參考系拖曳，他們認為原子吸收射線後的激發程度取決於時空在大質量物體外圍旋轉的速度，因此測量原子激發變化有助於確定時空的旋轉速度。

在這項研究中，科學家假設一個被簡單量子場包圍的小質量物體（如原子），量子場的相關粒子具有零自旋；例如電磁場，其場的力載體（即光子）具有零自旋。在非旋轉黑洞的情況下(愛因斯坦方程的史瓦西解)，不存在參考系拖曳。靜止原子會被霍金輻射所激發(事件視界處具有黑體輻射頻譜的輻射)。原子的激發率包含關於事件視界處重力場強度的信息。

旋轉大質量黑洞(克爾解)則並不存在真正的事件視界和奇點。克爾時空下原子會顯示出參考系拖曳現象，但靜止的原子並不會被激發。為此科學家考慮了在克爾時空中以恆定速度繞質量做圓周運動的原子。

他們對零自旋場進行了量子化，即按照量子力學處理該場（與馬克士威方程不同，後者將電磁場視為經典場，沒有光子或零自旋粒子）。將所有這些合在一起並通過數學計算，兩位科學家發現原子會被激發。

他們進一步發現，激發率(每秒的激發數量)與處於恆定加速度的熱浴中原子的激發率相同，這個溫度與原子做圓周運動的加速度成正比。這類似昂魯效應-原子在空真空中以恆定加速度運動，即使是直線運動，也會看到粒子和具有極小但非零溫度的熱浴。

他們進一步考慮了在不同速度和不同距離處旋轉的原子的激發能量，發現激發率在所有參考系拖曳旋轉頻率值之間都出現在0和一個上限之間。參考系效應會為進行圓周運動的原子產生一個明顯的激發率。該上限可被測量並且可根據激發率的上限和運動半徑推斷出參考系拖曳旋轉頻率的旋轉速率。

--