摘要：要找到一个能将量子力学和广义相对论这两个看似不相干的领域统一起来的理论，是现代物理学最核心的挑战。虽然广义相对论可以很好地描述宏观世界的引力效应，而量子场论则主宰着微观粒子的行为，但一个能同时描述这两者的统一框架至今仍未出现。

要找到一个能将量子力学和广义相对论这两个看似不相干的领域统一起来的理论，是现代物理学最核心的挑战。虽然广义相对论可以很好地描述宏观世界的引力效应，而量子场论则主宰着微观粒子的行为，但一个能同时描述这两者的统一框架至今仍未出现。

Fulling-Davies-Unruh (FDU) 效应就是在这个交叉点上一个至关重要的理论预测。它认为，一个处于匀加速状态下的观测者，会感觉到真空不再是空无一物，而是一个充满粒子的温暖“热浴”。这个反直觉的现象源于观测者的运动改变了他们对量子真空涨落的感知。然而，直接观测FDU效应是一个极其艰巨的挑战，因为它所需的加速度极高——大约10²⁰m/s²才能产生仅1开尔文的温度。

由于这个实验上的巨大障碍，研究人员开始探索模拟引力系统，即在更易于操作的凝聚态物理环境中模拟复杂的引力现象。最近，发表在PRL上一个极具创新性的提案提出利用耦合环形约瑟夫森结来模拟圆周运动中的FDU效应。这种方法提供了一个强大且在实验上可行的平台，有望首次验证这个基础的量子场论预测。

FDU效应，通常也简称为Unruh效应，是不同参照系如何看待量子真空的一个深刻结果。一个处于静止或匀速运动状态下的惯性观测者，认为真空是一个没有粒子的状态。然而，对于一个处于匀加速状态下的观测者来说，“粒子”的定义本身就改变了。从他们的视角来看，惯性观测者眼中的真空会呈现出一种热力学状态，充满着粒子。这种表观温度被称为Unruh温度(TU)，它与观测者的加速度(a)成正比：

其中ℏ是约化普朗克常数，kB是玻尔兹曼常数，c是光速。这个方程揭示了为何直接观测如此困难：需要巨大的加速度才能产生微小的可测温度。例如，要达到1开尔文的温度，加速度必须达到2.5✖10²⁰m/s²，这远远超出了目前任何线性加速技术的范畴。

约瑟夫森结是连接量子力学和经典电子学的超导器件，它由两块超导体通过一层薄绝缘层隔开。约瑟夫森结的核心特征是约瑟夫森效应，它允许库珀对电子在没有电压降的情况下量子隧穿过绝缘层。这产生了一种取决于两侧超导波函数相位差的超导电流。

在这项研究中，一个由两个耦合的环形约瑟夫森结组成的系统，为模拟FDU效应提供了一个独特的环境。在这些环中，磁通量的流动是量子化的，由此产生的磁通量子，即磁通子（以及它们的反粒子，反磁通子），表现得就像有质量的相对论性粒子。该论文提出，耦合环内一个亚稳态的磁通子-反磁通子对可以充当Unruh效应的“探测器”或“观测者”。

这项工作的关键洞察在于，它将传统上无法实现的线性加速转变为匀速圆周运动。一个以恒定速度在圆周上运动的物体仍然会受到一个持续指向圆心的向心加速度。这个加速度的大小为a=γ²v²/R，其中v是速度，R是圆周半径，γ是洛伦兹因子。通过使半径R非常小，并使速度v接近结内电磁波的特征光速，可以达到足以产生可探测Unruh温度的高加速度。这正是耦合环形约瑟夫森结的完美之处。它们可以制造微米级别的环，并且结内电磁波的速度远低于真空中的光速，使得磁通子-反磁通子对有可能达到相对论性的速度。

研究人员提出，探测Unruh效应的方法不是测量激发率（这在该系统中很难实现），而是通过观察亚稳态磁通子-反磁通子对的衰变。圆周运动引起的Unruh效应会产生一个类似热浴的环境，来自这种“虚幻热量”的涨落提供了触发粒子对衰变所需的能量。这种衰变是一个自发的、热激活的事件，它会导致结上产生可测量的电压跳变。这些电压跳变的分布对有效温度敏感，而有效温度反过来就是由加速度引起的Unruh效应的直接标志。

这个理论框架是朝着实验验证FDU效应迈出的重要一步。通过将范式从线性加速转向圆周加速，并利用耦合环形约瑟夫森结的独特属性，该设想的装置规避了以往尝试中看似不可逾越的技术障碍。

创建和精确操控这类量子模拟系统的能力，为在可控的实验室环境中探索基础物理问题开辟了新途径。除了FDU效应，这个研究平台还可以用于研究其他处于相对论和量子场论交叉点的复杂现象，例如霍金辐射或弯曲时空中的量子场行为。如果成功，利用该系统对FDU效应的实验验证不仅会证实量子场论的一个关键预测，还将为量子世界和引力宇宙之间提供一个切实的联系，推动我们更接近于对宇宙的完整理解。

来源：老齐说科学