网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

在黑洞边缘做量子实验?科学家首次解析弯曲时空中的约瑟夫森效应

0
分享至

广义相对论与量子力学是现代理论物理学的两大支柱。然而,由于强引力场实验条件的限制,物理学家长期以来很难直接观测到引力对微观量子状态的影响。在缺乏直接量子引力实验证据的背景下,研究宏观量子现象在强引力场中的行为,成为了连接这两大物理学领域的重要桥梁。

约瑟夫森效应自上世纪 60 年代由物理学家布赖恩·约瑟夫森提出以来,一直是凝聚态物理中最具代表性的宏观量子现象之一。它描述了当两个超导体被一层极薄的绝缘层隔开时,超导库泊对能够利用量子隧穿效应穿越阻隔,形成宏观的超导电流。这一现象深刻展示了量子波函数的相位干涉,并成为现代高精度电压基准、磁场传感器(如超导量子干涉仪 SQUID)以及超导量子计算机的核心基础。

然而,传统的约瑟夫森效应理论几乎全部建立在平直时空——也就是忽略引力影响的物理假设之上。

发表于高能物理领域顶级期刊《高能物理学报》(Journal of High Energy Physics)的一篇研究论文 《Josephson's effect in the Schwarzschild background》,填补了这一理论空白。作者Reggie C. Pantig与Ali Övgün首次在广义相对论框架下,解析地阐明了当约瑟夫森结置于不旋转的黑洞(Schwarzschild 黑洞)等强引力场中时,引力场将如何塑造超导相位的演化与电磁信号传输。



一、 理论挑战:弯曲时空中的量子记账问题

在平直时空中,整个系统共享统一的时间和空间坐标。绝缘层两侧超导体的量子相位差直接与两极板之间的电势差相耦合,驱动超导电流的振荡。

但在黑洞周围这种高度弯曲的时空中,这种直观的图像遇到了两个根本性的物理困难:

  • 时间流逝的不一致(引力时间膨胀):在广义相对论中,处于不同引力势位置(即距离黑洞中心不同距离)的钟表,其走速是不一样的。越靠近黑洞,时间流逝得越慢。
  • 物理量的观测参照系:超导器件本身测量到的“局部物理量”,与身处无穷远处安全地带的“远方观察者”接收到的信号之间,存在着显著的引力红移效应。

为了解决这些困难,两位作者建立了一套完全协变且规范不变的理论框架。其核心思想是区分两种物理视角:一种是局域视角,即与超导器件处于同一位置的观察者所测得的物理量;另一种是渐近视角,即距离黑洞无限远、处于平直时空中的远方观察者所测得的物理量。

论文引入了描述引力场强度的“拉普斯因子”(Lapse Factor)。这个因子直接反映了黑洞引力对时间的拉伸程度——越靠近黑洞视界,拉普斯因子就越接近于零;而在远离黑洞的平直时空区,该因子则恢复为一。

二、 核心物理推导与效应响应

通过将超导体的量子相位与广义相对论的时空几何联立,论文推导出了约瑟夫森效应在强引力场中的三大核心表现:

1. 交流约瑟夫森效应与频率红移

在传统物理学中,如果在约瑟夫森结两端施加一个恒定的直流电压,穿越绝缘层的超导电流不会保持恒定,而是会产生高频的交流振荡。振荡的频率与施加的电压成正比。

在黑洞背景下,如果将超导器件放置在强引力场中的某个固定位置:

  • 处于该位置的局部观察者看到的电压和高频振荡频率符合传统的物理规律。
  • 但对于远方的观察者来说,由于电势与光子在离开引力井时都会发生引力红移,远方观察者测得的电压和超导振荡频率都会按拉普斯因子发生等比例的衰减。

这意味着,黑洞周围产生的超导高频信号,在传播到无穷远处时,其频率会被引力场“拉长”。

此外,论文还分析了该效应在微波驱动下的反应(即夏皮罗阶梯现象)。研究发现,只要把外加微波的频率和电压都转化为远方观察者系统中的物理量,量子化的电压阶梯位置在时空变换下能够保持完全一致。而超导结向外辐射的高频电磁功率,在远方观察者看来,则会随着拉普斯因子的二次方大幅度衰减。

2. 直流约瑟夫森效应与临界电流

在不施加外加电压的情况下,超导结两侧的静态相位差决定了能够无损耗穿越结区的直流超导电流,其最大值被称为“临界电流”。

论文提出并强调了一个关键的物理本质:根据广义相对论的局部等效原理,引力场本身并不会改变超导材料内部微观的库泊对配对机制或隧穿概率。也就是说,在超导器件所在的当地,其临界电流的物理特性与平直时空完全一致。

然而,当远方的观察者试图通过单位时间内通过的电荷量来测量这一电流时,由于时间的走速不同,远方观察者测得的临界电流也会随拉普斯因子发生一次方的红移衰减。

3. SQUID 干涉与引力梯度响应

为了探究引力场是否会直接扭曲量子干涉,作者进一步分析了由两个约瑟夫森结构成的超导量子干涉仪(DC-SQUID)。如果将这个干涉仪“垂直”放置,使得它的两个约瑟夫森结分别处于距离黑洞一近一远的两个径向位置上:

  • 磁通量量子化依然严格成立:穿过干涉仪环路的磁通量,其量子化条件不受引力场弯曲的影响。
  • 干涉主峰位置没有移动:引力势能的差异在一次阶近似下,不会导致干涉图样的主干条纹发生左右平移。
  • 图样形状发生微幅变形:由于两个结区所处的引力场强度不同,时间的走速存在微小差异,这会导致干涉条纹的包络线形状产生微小的缩放与变形。

三、 深度物理图景:“微观局域不变”与“宏观记账重构”

这篇论文的核心哲学贡献,在于清晰地界定了广义相对论中“局域物理”与“全局测量”的关系。

简单来说,引力并没有改变约瑟夫森结内部微观的超导物理过程,它改变的是定义远方观察者测量结果时所依赖的“时钟”与“能量记账方式”。

在强引力场中,电压、超导相位的演化频率以及临界电流,在远方观察者的视角下,都会乘以与引力强度相关的拉普斯因子;而设备向外辐射的电磁功率,则会随着该因子的二次方衰减。唯有磁通量量子这一核心物理常量,在引力映射中保持绝对不变。

四、 极限分析与前沿应用前景

这项理论不仅适用于黑洞边缘的强引力场,在极端情况与现实弱场环境下同样具有重要的应用价值:

1. 地球与太阳系弱场极限

在地球表面或太阳系这种弱引力场环境中,引力带来的频率与电流修正极其微弱(在地球表面大约只有百亿亿分之一的量级)。然而,随着超导量子比特与超导高频时钟精度的飞速提升,该理论为未来利用桌面级超导电路在实验室中直接检验广义相对论等效原理,提供了极高精度的理论依据。

2. 黑洞视界极限

当超导器件无限逼近黑洞的事件视界时,拉普斯因子将趋近于零。在远方观察者看来,超导相位的演化将逐渐趋于“冻结”,传输电流与辐射功率急剧衰减至零。这一极限响应为研究黑洞附近的量子信息演化与热力学过程提供了全新的切入点。

五、 结语

发表于 JHEP的这项工作,成功在广义相对论的弯曲时空几何与凝聚态物理的宏观量子干涉之间建立起一座桥梁。它表明宏观量子相位对时空几何有着极其敏锐且自洽的响应。

这一成果不仅深化了我们对弯曲时空中宏观量子现象的理解,也预示着在未来的量子精密测量与基本物理检验中,超导量子电路或许将成为人类探测时空本身极其敏锐的“量子触角”。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
于东来回应“胖东来新员工4年合同制不续签”:带动更多人轻松快乐幸福的生活,希望理性善意理解,工作和劳资方面严格按照劳动法执行

于东来回应“胖东来新员工4年合同制不续签”:带动更多人轻松快乐幸福的生活,希望理性善意理解,工作和劳资方面严格按照劳动法执行

鲁中晨报
2026-09-14 20:23:08
邱淑贞女儿沈月拒绝全部追求者,公开择偶标准:要像林志颖年轻时

邱淑贞女儿沈月拒绝全部追求者,公开择偶标准:要像林志颖年轻时

观鱼听雨
2026-09-14 23:24:39
塔利班代表进京参会,中方给的规格不低,让他们有机会上台讲话

塔利班代表进京参会,中方给的规格不低,让他们有机会上台讲话

鹤羽说个事
2026-09-14 06:39:36
西方专家也很郁闷:一年时间,全世界已经开始看不懂中国了!

西方专家也很郁闷:一年时间,全世界已经开始看不懂中国了!

心灵得以滋养
2026-09-14 12:22:37
整个美西世界,加拿大是白左之最,没有之一

整个美西世界,加拿大是白左之最,没有之一

壹家言
2026-09-14 08:55:22
纽约曼哈顿地铁站一对青年男女静坐轨道被撞身亡,年龄均为20多岁,警方:无证据表明他们被人推下或意外跌落轨道

纽约曼哈顿地铁站一对青年男女静坐轨道被撞身亡,年龄均为20多岁,警方:无证据表明他们被人推下或意外跌落轨道

扬子晚报
2026-09-14 11:24:04
敬一丹账号发布8分40秒生平视频,生前画面泪目:感谢这世界,让我走过

敬一丹账号发布8分40秒生平视频,生前画面泪目:感谢这世界,让我走过

极目新闻
2026-09-14 21:46:33
“连医生都要休息了,我们患者看病怎么办?”浙江一患者委屈发文

“连医生都要休息了,我们患者看病怎么办?”浙江一患者委屈发文

放开他让wo来
2026-09-14 11:30:58
切尔西血亏!名宿怒批阿隆索致命失误!1.25 亿天价交易毁全队

切尔西血亏!名宿怒批阿隆索致命失误!1.25 亿天价交易毁全队

奶盖熊本熊
2026-09-15 07:53:53
社死名场面啊!一件裙子把女明星的“小肚子”逼上热搜,强光一打,她吓得死死捂着肚子,满脸写着尴尬,真相流出

社死名场面啊!一件裙子把女明星的“小肚子”逼上热搜,强光一打,她吓得死死捂着肚子,满脸写着尴尬,真相流出

火山詩话
2026-09-11 10:01:05
热刺内讧升级!主帅封杀29岁刺头前锋:休想再出场 后者怒了:为啥

热刺内讧升级!主帅封杀29岁刺头前锋:休想再出场 后者怒了:为啥

风过乡
2026-09-15 06:48:01
广州一商业综合体发生持刀伤人事件,地处大学城核心区,警方抓获犯罪嫌疑人李某(男,35岁),伤者无生命危险

广州一商业综合体发生持刀伤人事件,地处大学城核心区,警方抓获犯罪嫌疑人李某(男,35岁),伤者无生命危险

都市快报橙柿互动
2026-09-14 22:04:55
罗滕:法国队内不少球员不理解姆巴佩的表态,对他已有不满

罗滕:法国队内不少球员不理解姆巴佩的表态,对他已有不满

懂球帝
2026-09-15 01:37:29
英媒:莱巴金娜被教练布科夫攻击后仍选择力挺,始终避谈二人关系

英媒:莱巴金娜被教练布科夫攻击后仍选择力挺,始终避谈二人关系

阿废冷眼观察所
2026-09-15 03:17:06
特朗普称,可以接受中国车企在美国建厂,《纽约时报》记者试驾中国品牌汽车后立即被征服

特朗普称,可以接受中国车企在美国建厂,《纽约时报》记者试驾中国品牌汽车后立即被征服

极目新闻
2026-09-14 10:17:23
肺结节去世的人越来越多,建议:2不喝、3不吃、1坚持,别马虎了

肺结节去世的人越来越多,建议:2不喝、3不吃、1坚持,别马虎了

叙说医疗健康
2026-09-15 05:00:04
“生物爹”怒了:四川大叔带着叛逆女儿跑货车,一路见遍人间苦,却意外刷爆全网!

“生物爹”怒了:四川大叔带着叛逆女儿跑货车,一路见遍人间苦,却意外刷爆全网!

阅读第一
2026-09-09 08:35:40
再见!曝申花不续约中场核心,有望引进以超银靴,上赛季独造23球

再见!曝申花不续约中场核心,有望引进以超银靴,上赛季独造23球

体坛鉴春秋
2026-09-14 20:17:47
一晚消费十几万!网传杭州天价商K价目表流出刷屏,奢靡酒局迎来重拳整治

一晚消费十几万!网传杭州天价商K价目表流出刷屏,奢靡酒局迎来重拳整治

火山詩话
2026-09-14 12:59:03
700万粉丝网红“暴躁的小张”突发讣告,83岁姥姥骤然离世,其两年前曾突发心梗住院,常与千万粉丝网红“田姥姥”合拍视频,“田姥姥”留言:老姐姐一路走好

700万粉丝网红“暴躁的小张”突发讣告,83岁姥姥骤然离世,其两年前曾突发心梗住院,常与千万粉丝网红“田姥姥”合拍视频,“田姥姥”留言:老姐姐一路走好

极目新闻
2026-09-14 12:37:11
2026-09-15 10:00:51
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1506文章数 804关注度
往期回顾 全部

头条要闻

牛弹琴:英国如果分裂 五常的席位大概率是英格兰继承

头条要闻

牛弹琴:英国如果分裂 五常的席位大概率是英格兰继承

体育要闻

英格兰业余门将,拒绝去非洲当国王

娱乐要闻

她是敬一丹女儿,把公益当事业

财经要闻

未来五年,电子信息制造业发展规划出炉

科技要闻

芯片产业链蒸发超5000亿美元,特朗普大怒

汽车要闻

纯电续航960km/迪迪虾上车 腾势N8L纯电售29.98万元起

态度原创

艺术
亲子
手机
公开课
军事航空

艺术要闻

笔精墨妙有情怀,丁玉蝶画马,看完直呼绝了!

亲子要闻

妈妈最旺孩子的五个特征

手机要闻

苹果iOS 27正式版推送!iPhone 11也能升:流畅度大增 国行AI仍缺席

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

24小时内58次空袭 也门冲突快速升级

无障碍浏览 进入关怀版