类比引力的理论研究

Due to the limitation of objective conditions, some physics of gravity and cosmology, such as Hawking radiation and cosmological particle creation, are almost impossible to be tested in nature. The project is devoted to utilizing Bose-Einstein condensates, superconducting circuits, and ion trap and so on, to design the analogue gravity system. We will study the relevant physics of curved spacetime in these analogue gravity systems. We will mainly focus on the relativistic quantum effects, the quantum nature of curve spacetime, dynamical quantum phase transitions, multiparticle non-thermal equilibrium phenomena, the relationship between the various quantum vacuum amplification mechanisms, and so on, to reveal the origin and evolution law of the relevant physical phenomena, and dig out the implications. Furthermore, we will design the effective measurement scenario to observe the relevant physics in the analogue gravity systems. Our studies provide general relativists with extremely concrete physical models, and can help improve our understanding of gravity, cosmology, quantum field theories in curved spacetime, and so on. It is also expected that new ways will be found to provide new light on perplexing theoretical questions.

由于客观条件的限制，引力和宇宙学中一些重要的物理诸如霍金辐射和宇宙粒子产生等，在自然界中难以观测验证。本项目主要针对相关问题，分析利用波色-爱因斯坦凝聚、超导回路以及粒子井等实验易控体系来构建类比引力系统，并在类比引力系统中研究弯曲时空中的相关物理，着重探讨相对论量子效应、弯曲时空的量子性质、动力学量子相变、多粒子非热平衡现象以及各种量子真空涨落放大机制的关联等，揭示相关物理现象的形成机制以及演化规律，挖掘其中所蕴含的新物理；同时构建类比引力实验中相关物理的可探测方法。本项目的研究将为相对论的研究在理论上提供具体的实验物理模型，有助于加深对引力、宇宙学以及弯曲时空量子场理论等物理的理解，并期待发现一些新方法用来解决相对论和波色-爱因斯坦凝聚等研究中所遇到的复杂问题。

由于客观条件的限制，引力和宇宙学中一些重要的物理诸如Hawking辐射、Unruh效应以及黑洞混沌物理等在自然界真实物理体系中难以观测验证。本项目主要针对相关问题，利用波色-爱因斯坦凝聚以及离子阱等实验易控体系来构建类比引力系统：在离子阱体系中实现了反谐振子量子系统，并用以模拟Hawking辐射以及黑洞混沌物理，从而验证“黑洞是最快信息扰乱者（the fastest scrambler）”这一物理猜想；考虑了利用dipolar BEC体系来探究模拟Lorentz对称性破缺的相关物理，从实验角度探讨了利用低能区域的粒子探测器来探测高能情况才能发生的Lorentz违背物理的可行性，以及验证Lorentz对称性破缺诱导的Unruh效应的非热性。此外，我们还探索了相对论运动、时空特性以及引力等对量子Fisher信息、量子雷达以及几何学相位的影响，并分析了如何从量子信息的角度来解读Kerr黑洞的Hawking辐射特性和宇宙弦时空的拓扑性质等。相关研究为相对论的理论研究和实验验证提供了具体的实验物理模型，有助于我们观测在真实的物理体系中所无法观测的相对论物理现象，从而验证相关的物理理论，进一步加深对引力、宇宙学以及弯曲时空量子场理论等物理的理解；同时在类比引力体系中所构建和发展起来的一些新型探测和调控方法也可用来解决相对论和波色-爱因斯坦凝聚等研究中所遇到的复杂问题。