【技术动态】物理学家发现光的扭曲：光子偏振的非对等性可能解开引力与量子力学的联系

地面站到卫星（A），以及在旋转黑洞赤道平面内绕行的观测者（B）。如图（CE）所示，光子的波矢与局部第三轴eφ对齐，即转换到标准坐标系。对于地球卫星在极地轨道运行以及观测者在M87 * 黑洞赤道平面内的情况，WRA分别如图（F）和（G）所示绘制。A中使用的地球原始图像来自Yeongkwang Kim。

一个物理学家小组发现了一种探索科学最大挑战之一的惊人新方法：将解释我们宇宙如何运作的两个基本理论--爱因斯坦的万有引力理论和量子力学--结合起来。

尽管经过几十年的努力，但仍没有人能够完全解释万有引力--它支配着行星和恒星等大质量天体--如何与量子力学相匹配，而量子力学描述的是宇宙中最微小粒子的行为。但现在，科学家们相信光可能是关键所在。

这项研究的共同作者、佛罗里达大西洋大学查尔斯-E-施密特科学院物理系教授沃纳-A-米勒（Warner A. Miller）博士与首尔大学和韩国首尔国立大学的科学家合作发现，光的偏振--即光在传播过程中的振动方向--在通过弯曲空间时会有意想不到的表现。通常情况下，这种偏振会因引力对空间的扭曲而发生轻微偏移，这是一种众所周知的效应。

但是，研究小组发现了一些更深层次的东西：通过仔细选择测量光线的方式，他们可以触发一种叫做非互易性的奇特效应。他们的研究结果发表在《科学报告》上。

米勒说：“非对等性意味着光向前移动时与向后移动时的表现不同。换句话说，即使重走路径，它也不会'撤销'其扭曲。这就挑战了人们的传统观念，即光在走完一个闭合环路后总是会恢复到原来的状态，尤其是在光的路径只受重力影响的情况下。”

这一发现的关键在于量子化轴，即偏振器测量光线的角度。通过调整这个轴，研究人员可以大大增强效果。事实上，即使在黑洞附近这样的极端环境中，光的偏振角的偏移--即维格纳旋转角（WRA）--也能比单靠引力造成的偏移大 10 倍。

米勒说：“我们找到了一种方法，可以通过巧妙地调整系统来放大引力对光偏振的微小影响。这为我们提供了一个强大的新工具，来探究引力和量子力学之间可能存在的联系。”

为了验证他们的预测，研究小组建议建造一个天文干涉仪--一种由在太空中工作的卫星组成的高灵敏度仪器。这些卫星将配备专门定向的偏振器，用于探测放大的偏振偏移。

他们还提出了两种具体的设计方案。一种是将洪欧-芒德尔装置与马赫-泽恩德干涉仪结合起来，后者以精度高和能够过滤噪音而著称。第二个装置使用高度受控的光源，将量子预测与经典预期进行比较。

WRA 对量子化轴选择的依赖性。以轴为量子化轴，以平面上的光子为例。

这些实验可以验证这种新的非互易行为是否真正揭示了光的量子特性--如自旋和偏振--是如何与经典引力场相互作用的。重要的是，这种效应可能产生于任何形式的偏振旋转，而不仅仅是由引力引起的偏振旋转，这为检验新物理学打开了大门，包括可能违反爱因斯坦的等效原理或量子引力的线索。

米勒说：“这不仅仅是一个新的实验--它是提出物理学中最深奥问题的一种新方法。”

虽然这些实验是为太空设计的，但科学家们也相信，其中的一些效果可以在实验室中进行测试，使用镜子和偏振器来模拟必要的条件。如果得到证实，这些光偏振的非互易变化将成为探索宇宙的有力工具，帮助科学家探索空间结构、光的本质以及重力和量子力学之间仍然神秘的联系。