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研究人员预言量子波包的反引力

1666年，历史上最著名的那个苹果正好砸中牛顿的脑门，启发了牛顿的灵感，悟出了万有引力定律，从而统一描述了地球上的引力现象和月亮围绕地球转动这样的天体运动规律。整整250年后，爱因斯坦提出广义相对论，用弯曲时空观给予引力更加准确和美丽的描述。

自从爱因斯坦提出广义相对论以来，关于引力仍然有很多难解之谜。经典引力现象为何是吸引的？暗能量的引力现象为何是排斥的？引力和量子之间如何融合？引力与其他三种基本力如何统一？

近年来，由于Jacobson和Verlinde等人的贡献，人们开始反思引力的本质，提出引力可能根本不是一种基本力，而是由于热力学定律导致的一个现象。从热力学的角度，推导和判断力的方向是非常自然和容易做到的。比如，从热力学的角度就可以解释为何气缸升温时，气体会推动活塞向外运动。这导致一个饶有兴趣的问题：能否从热力学起源的角度解释万有引力定律中引力是吸引而不是排斥的物理机制？

最近，浙江工业大学维尔切克量子中心熊宏伟教授从引力的热力学起源出发，推导出万有引力定律，并且对经典引力为何是吸引的这个几百年以来悬而未决的问题给予了一个自然的解释。作者在发表于Frontier of Physics (www.springer.com/11467, journal.hep.com.cn/fop)的封面论文中(论文参见http://link.springer.com/article/10.1007/s11467-015-0478-9)认为引力不过是从非平衡向着热力学平衡方向演化导致的一种效应。这个演化趋势导致了经典引力的吸引特征。在该论文中，首先计算了物质和真空耦合导致的真空温度场分布，然后通过分析决定从非平衡向着热力学平衡方向演化的自由能公式自然得到经典引力的吸引特征。

在同样的理论框架内，该论文还研究了量子波包的引力效应，发现在量子波包的内部会自然出现排斥的引力效应，而在量子波包的外部和经典的引力效应完全一样。这个新奇的理论预言有着多方面的意义。比如，如果暗能量是真空中弥散于整个宇宙的量子波包涨落导致的效应的话，该论文的预言就可以为暗能量的排斥引力效应提供新的解决思路。

量子波包的排斥引力效应是有望在实验中给予检验的。根据该论文，液氦在超流转变温度之上满足牛顿的万有引力定律，在转变温度之下由于凝聚行为可能出现量子波包的反常的排斥引力效应。由此，该论文建议通过测量液氦在超流转变温度之上和之下之间的引力差异来检验量子波包的排斥引力效应。事实上，目前超导引力计、冷原子干涉仪等高精度高灵敏引力测量手段已经能够满足检验该理论预言的条件。一旦该理论预言得到证实，就很有希望对神秘的暗能量提供新的认识，甚至于还将在凝聚态材料的量子波包行为观察方面有广泛的应用价值。

2004年诺贝尔物理学奖以及2014年美国引力基金会论文奖第一名获得者弗兰克·维尔切克教授评价该工作“看起来非常有趣，我很高兴看到论文还建议了一个实验。”无疑，该论文预言的科幻中常提到的反引力需要最终接受实验的检验。地面上的实验和普朗克卫星等天文观察有望在未来给予决定性的检验。

该研究是在科技部国家重大科学研究计划和国家自然科学基金面上和重点等项目支持下完成的。

全文：Hongwei Xiong, Repulsive gravitational effect of aquantum wave packet and experimental scheme with superfluid helium, Front.Phys. 10, 100401 (2015), DOI 10.1007/s11467-015-0478-9, http://link.springer.com/article/10.1007/s11467-015-0478-9