要找到一個(gè)能將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論這兩個(gè)看似不相干的領(lǐng)域統(tǒng)一起來(lái)的理論，是現(xiàn)代物理學(xué)最核心的挑戰(zhàn)。雖然廣義相對(duì)論可以很好地描述宏觀世界的引力效應(yīng)，而量子場(chǎng)論則主宰著微觀粒子的行為，但一個(gè)能同時(shí)描述這兩者的統(tǒng)一框架至今仍未出現(xiàn)。

Fulling-Davies-Unruh (FDU) 效應(yīng)就是在這個(gè)交叉點(diǎn)上一個(gè)至關(guān)重要的理論預(yù)測(cè)。它認(rèn)為，一個(gè)處于勻加速狀態(tài)下的觀測(cè)者，會(huì)感覺(jué)到真空不再是空無(wú)一物，而是一個(gè)充滿粒子的溫暖“熱浴”。這個(gè)反直覺(jué)的現(xiàn)象源于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)改變了他們對(duì)量子真空漲落的感知。然而，直接觀測(cè)FDU效應(yīng)是一個(gè)極其艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗璧募铀俣葮O高——大約102?m/s2才能產(chǎn)生僅1開(kāi)爾文的溫度。

由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)上的巨大障礙，研究人員開(kāi)始探索模擬引力系統(tǒng)，即在更易于操作的凝聚態(tài)物理環(huán)境中模擬復(fù)雜的引力現(xiàn)象。最近，發(fā)表在PRL上一個(gè)極具創(chuàng)新性的提案提出利用耦合環(huán)形約瑟夫森結(jié)來(lái)模擬圓周運(yùn)動(dòng)中的FDU效應(yīng)。這種方法提供了一個(gè)強(qiáng)大且在實(shí)驗(yàn)上可行的平臺(tái)，有望首次驗(yàn)證這個(gè)基礎(chǔ)的量子場(chǎng)論預(yù)測(cè)。

Fulling-Davies-Unruh效應(yīng)：一個(gè)虛幻的熱量

FDU效應(yīng)，通常也簡(jiǎn)稱為Unruh效應(yīng)，是不同參照系如何看待量子真空的一個(gè)深刻結(jié)果。一個(gè)處于靜止或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的慣性觀測(cè)者，認(rèn)為真空是一個(gè)沒(méi)有粒子的狀態(tài)。然而，對(duì)于一個(gè)處于勻加速狀態(tài)下的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，“粒子”的定義本身就改變了。從他們的視角來(lái)看，慣性觀測(cè)者眼中的真空會(huì)呈現(xiàn)出一種熱力學(xué)狀態(tài)，充滿著粒子。這種表觀溫度被稱為Unruh溫度(TU)，它與觀測(cè)者的加速度(a)成正比：

其中?是約化普朗克常數(shù)，kB是玻爾茲曼常數(shù)，c是光速。這個(gè)方程揭示了為何直接觀測(cè)如此困難：需要巨大的加速度才能產(chǎn)生微小的可測(cè)溫度。例如，要達(dá)到1開(kāi)爾文的溫度，加速度必須達(dá)到2.5?102?m/s2，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前任何線性加速技術(shù)的范疇。

約瑟夫森結(jié)作為量子模擬器

約瑟夫森結(jié)是連接量子力學(xué)和經(jīng)典電子學(xué)的超導(dǎo)器件，它由兩塊超導(dǎo)體通過(guò)一層薄絕緣層隔開(kāi)。約瑟夫森結(jié)的核心特征是約瑟夫森效應(yīng)，它允許庫(kù)珀對(duì)電子在沒(méi)有電壓降的情況下量子隧穿過(guò)絕緣層。這產(chǎn)生了一種取決于兩側(cè)超導(dǎo)波函數(shù)相位差的超導(dǎo)電流。

在這項(xiàng)研究中，一個(gè)由兩個(gè)耦合的環(huán)形約瑟夫森結(jié)組成的系統(tǒng)，為模擬FDU效應(yīng)提供了一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境。在這些環(huán)中，磁通量的流動(dòng)是量子化的，由此產(chǎn)生的磁通量子，即磁通子（以及它們的反粒子，反磁通子），表現(xiàn)得就像有質(zhì)量的相對(duì)論性粒子。該論文提出，耦合環(huán)內(nèi)一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的磁通子-反磁通子對(duì)可以充當(dāng)Unruh效應(yīng)的“探測(cè)器”或“觀測(cè)者”。

模擬系統(tǒng)：從線性加速到圓周加速

這項(xiàng)工作的關(guān)鍵洞察在于，它將傳統(tǒng)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的線性加速轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩賵A周運(yùn)動(dòng)。一個(gè)以恒定速度在圓周上運(yùn)動(dòng)的物體仍然會(huì)受到一個(gè)持續(xù)指向圓心的向心加速度。這個(gè)加速度的大小為a=γ2v2/R，其中v是速度，R是圓周半徑，γ是洛倫茲因子。通過(guò)使半徑R非常小，并使速度v接近結(jié)內(nèi)電磁波的特征光速，可以達(dá)到足以產(chǎn)生可探測(cè)Unruh溫度的高加速度。這正是耦合環(huán)形約瑟夫森結(jié)的完美之處。它們可以制造微米級(jí)別的環(huán)，并且結(jié)內(nèi)電磁波的速度遠(yuǎn)低于真空中的光速，使得磁通子-反磁通子對(duì)有可能達(dá)到相對(duì)論性的速度。

研究人員提出，探測(cè)Unruh效應(yīng)的方法不是測(cè)量激發(fā)率（這在該系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)），而是通過(guò)觀察亞穩(wěn)態(tài)磁通子-反磁通子對(duì)的衰變。圓周運(yùn)動(dòng)引起的Unruh效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似熱浴的環(huán)境，來(lái)自這種“虛幻熱量”的漲落提供了觸發(fā)粒子對(duì)衰變所需的能量。這種衰變是一個(gè)自發(fā)的、熱激活的事件，它會(huì)導(dǎo)致結(jié)上產(chǎn)生可測(cè)量的電壓跳變。這些電壓跳變的分布對(duì)有效溫度敏感，而有效溫度反過(guò)來(lái)就是由加速度引起的Unruh效應(yīng)的直接標(biāo)志。

影響和未來(lái)前景

這個(gè)理論框架是朝著實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證FDU效應(yīng)邁出的重要一步。通過(guò)將范式從線性加速轉(zhuǎn)向圓周加速，并利用耦合環(huán)形約瑟夫森結(jié)的獨(dú)特屬性，該設(shè)想的裝置規(guī)避了以往嘗試中看似不可逾越的技術(shù)障礙。

創(chuàng)建和精確操控這類量子模擬系統(tǒng)的能力，為在可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中探索基礎(chǔ)物理問(wèn)題開(kāi)辟了新途徑。除了FDU效應(yīng)，這個(gè)研究平臺(tái)還可以用于研究其他處于相對(duì)論和量子場(chǎng)論交叉點(diǎn)的復(fù)雜現(xiàn)象，例如霍金輻射或彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)行為。如果成功，利用該系統(tǒng)對(duì)FDU效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不僅會(huì)證實(shí)量子場(chǎng)論的一個(gè)關(guān)鍵預(yù)測(cè)，還將為量子世界和引力宇宙之間提供一個(gè)切實(shí)的聯(lián)系，推動(dòng)我們更接近于對(duì)宇宙的完整理解。