分布在南极附近一平方公里的数千个传感器的任务是回答物理学中一个重大的悬而未决的问题：量子引力是否存在?这些传感器监测从外太空到达地球的中微子(不带电荷且几乎没有质量的粒子)。哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所 (NBI) 的一个团队致力于开发利用中微子数据来揭示量子引力是否存在的方法。

“如果像我们相信的那样，量子引力确实存在，这将有助于统一当前物理学中的两个世界。今天，经典物理学描述了我们正常环境中的现象，例如引力，而原子世界只能用量子力学来描述。

“量子理论和引力的统一仍然是基础物理学中最突出的挑战之一。如果我们能够为此做出贡献，那将是非常令人满意的，”NBI 助理教授 Tom Stuttard 说。

斯图塔德是《自然物理学》杂志上发表的一篇文章的合著者。这篇文章介绍了 NBI 团队和美国同事进行的一项大型研究的结果。已研究了超过 300,000 个中微子。

然而，这些并不是来自深空来源的最有趣类型的中微子。这项研究中的中微子是在地球大气层中产生的，是来自太空的高能粒子与氮或其他分子碰撞时产生的。

“研究源自地球大气层的中微子具有实际优势，因为它们比来自外太空的中微子更为常见。我们需要来自许多中微子的数据来验证我们的方法。现在已经完成了。因此，我们准备好进入下一阶段，我们将研究来自深空的中微子，”斯图塔德说。

不受干扰地穿越地球

冰立方中微子观测站位于南极洲阿蒙森-斯科特南极站旁边。与大多数其他天文学和天体物理学设施相比，IceCube 最适合观测地球另一侧(即北半球)的空间。这是因为，虽然中微子完全有能力穿透我们的星球，甚至是它炽热、致密的核心，但其他粒子将被阻止，因此来自北半球的中微子的信号更加清晰。

IceCube设施由美国威斯康星大学麦迪逊分校运营，来自世界各国的300多名科学家参与了IceCube合作。哥本哈根大学是拥有 IceCube 中微子研究中心的 50 多所大学之一。

由于中微子不带电荷且几乎无质量，因此不受电磁力和强核力的干扰，使其能够以其原始状态在宇宙中传播数十亿光年。

关键问题是，中微子的性质实际上在长距离传播时是否完全不变，或者微小的变化是否仍然值得注意。

斯塔德说：“如果中微子经历了我们怀疑的微妙变化，这将是量子引力的第一个有力证据。”

中微子有三种形式

为了了解团队正在寻找中微子特性的哪些变化，需要一些背景信息。虽然我们将其称为粒子，但我们观察到的中微子实际上是三个粒子一起产生的，在量子力学中称为叠加。

中微子可以具有三种基本构型(物理学家称之为“味道”)，即电子、μ子和τ子。我们观察到其中哪些构型随着中微子的传播而变化，这是一种真正奇怪的现象，称为中微子振荡。这种量子行为可以在数千公里或更远的距离内保持，这被称为量子相干性。

“在大多数实验中，相干性很快就会被打破。但这并不被认为是由量子引力引起的。在实验室中创造完美的条件非常困难。你想要完美的真空，但不知何故有一些分子设法潜入ETC。

斯图塔德解释说：“相比之下，中微子的特殊之处在于它们根本不受周围物质的影响，因此我们知道，如果相干性被打破，那并不是因为人造实验装置的缺陷。”

很多同事都表示怀疑

当被问及发表在《自然物理学》上的研究结果是否符合预期时，研究人员回答道：“我们发现自己处于一类罕见的科学项目中，即不存在既定理论框架的实验。因此，我们只是不知道该做什么然而，我们知道我们可以寻找量子引力理论可能具有的一些一般性质。”

“虽然我们确实希望看到与量子引力相关的变化，但我们没有看到它们这一事实并不排除它们是真实的。当在南极设施检测到大气中微子时，它通常会穿过地球。这意味着大约 12,700 公里——与起源于遥远宇宙的中微子相比，这是一个非常短的距离。显然，如果量子引力存在的话，需要更长的距离才能产生影响，”斯图塔德说，并指出最高目标研究的目的是建立方法论。

“多年来，许多物理学家怀疑实验是否有希望测试量子引力。我们的分析表明，这确实是可能的，随着未来天体物理中微子的测量，以及未来十年建造的更精确的探测器，我们希望最终回答这个基本问题。”

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