利用原子激发测量时空旋转

Josiah01

原子在超大质量物体附近会如何表现？我们知道原子在地球表面等极弱重力下会如何表现：当电子吸收光子或原子核吸收伽马射线等时，它们可以从较低能级激发到较高能级。但如果原子处于强引力场中，例如超大质量旋转黑洞或旋转中子星附近的引力场，情况会怎样？
中国北京计算科学研究中心的两位科学家已经确定，激发的量还取决于大质量物体外部时空的旋转速度。事实上，他们说，相反的情况可能很有用：测量一组激发的变化可能用于确定时空的旋转速度，这种现象称为参考系拖拽。
研究结果发布在arXiv预印本服务器上。
参考系拖拽是爱因斯坦引力理论（即广义相对论）的一个预测。就像静止的黑洞会使其周围的时空变形，从而产生事件视界和中心的奇点一样，1918 年，奥地利物理学家 Josef Lense 和 Hans Thirring 发现，大质量物体的旋转会将其附近的时空拖拽到旋转方向上。
因此，质量附近的距离和角度的测量将会改变，并且相对于远处的观察者，空间和时间甚至可能会部分混合。
这种效应被称为伦斯-瑟林效应，即使在爱因斯坦方程的“弱场”极限中也存在，与黑洞事件视界附近的时空相同，那里的引力不是很强（但比地球上的强）。
美国宇航局和其他团体已经发现了拖拽效应的天文证据，不过研究人员表示，测量结果需要更加严格。拖拽效应的旋转速度取决于物体的角动量（旋转速度）和质量，以及与物体的距离。
在这项研究中，科学家假设一个小质量（比如一个原子或其他具有能级的物体）被一个简单的量子场所包围，这个量子场存在于中心旋转质量之外的任何地方。
量子场的相关粒子具有零自旋（在量子力学意义上）；一个例子是电磁场，其中场的力载体光子具有零自旋。参考系拖拽的角频率会反映在原子的激发率中吗？
在非旋转黑洞的简单情况下，即所谓的爱因斯坦方程的“史瓦西解”，不存在参考系拖拽。众所周知，静止的原子会受到黑洞霍金辐射的激发，霍金辐射以黑体的频谱发射，并在黑洞周围的事件视界释放。原子的激发率包含有关事件视界处引力场强度的信息。
然而，对于旋转的大质量黑洞，即所谓的“克尔解”（直到 1963 年才被发现），不存在真正的事件视界和奇点。克尔时空确实表现出参考系拖拽，但静止的原子不会受到激发。
与史瓦西解不同，克尔解是时空结构的精确解，即使对于非常大的质量和强大的引力也是如此。因此，合著者刘瑞辰和孙CP考虑了原子在克尔时空中以恒定速度沿圆周运动的情况。
他们将零自旋场“量化”，即按照量子力学规则对其进行处理（这与著名的麦克斯韦方程不同，后者将电磁场视为经典场，没有光子或零自旋粒子。）将所有这些放在一起，并通过数学运算，两人发现原子会受到激发。
他们进一步发现，激发率（每秒激发的次数）与原子浸入热浴（被能量包围）时的激发率相同，热浴的温度与原子沿圆周运动时的加速度成正比。这类似于 Unruh 效应，在真空中，即使以直线方式进行恒定加速的原子，也会看到粒子和温度极小但不为零的热浴。
为了进一步分析，刘和孙考虑了原子以不同的速度和与中心质量的不同距离旋转的各种激发能量，发现对于所有参考系拖拽旋转频率值，激发率都出现在 0 和上限之间。
他们写道：“对于进行圆周运动的原子，参考系拖拽效应会产生明显的激发率。”这个上限是可以测量的，并且可以根据它和运动半径推断出参考系拖拽转动频率的旋转速率。
他们指出，他们的方法利用量子场的非局部特性（也称为纠缠），使用不依赖于传统恒星校准的测量方法，即使用具有已知光特性的恒星来确定望远镜上传感器的质量和可靠性。