由美國加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校大衛·韋爾德教授領銜的物理團隊取得了一項量子模擬突破。團隊顛倒光與物質在傳統光學腔中的物理角色。他們首次在實驗室構建出處於超強驅動下的物質波法布里-珀羅光腔。這直接模擬了光在彎曲時空中傳播及黑洞視界附近的波包聚集動力學。
成果於2026年11月4日發表在國際物理學期刊《物理評論快報》上。美國物理學會《物理》雜誌將其選爲焦點報道。該實驗爲在可控環境下研究極端時空理論提供了全新實驗平臺。
顛倒光與物質角色 突破相對論速度限制
在光學體系中，兩面相對放置的鏡子構成光學腔。這是操控光的核心元件。理論預測表明，若腔內反射鏡能以接近光速週期性振動，腔內光場將表現出與黑洞視界相似的特性。原本彌散的光波會被極度壓縮成狹窄的高強度脈衝。
但在常規實驗室中，推動具有宏觀質量的實體反射鏡達到相對論速度幾乎無法實現。加州大學聖塔芭芭拉分校團隊通過顛倒光與物質的角色化解了這一難題。科研人員沒有使用實體鏡面束縛光波。他們利用兩道激光光片作爲光鏡，將超冷鋰原子構成的物質波限制在兩面光鏡之間來回反射。
實驗中，4束紅色激光束構成光晶格。處於玻色-愛因斯坦凝聚態的超冷鋰原子被囚禁其中。由於量子效應，鋰原子物質波以接近恆定的速度傳播。但其實際行進速度小於每秒1米。
這使得科研人員只需以很小的速度平移光鏡。光鏡相對速度就能達到物質波的相對論驅動條件。
約百赫茲共振驅動 物質波聚焦爲單一移動脈衝
實驗裝置中，研究人員利用聲光偏轉器調控其中一道激光光鏡的位置。這使其產生週期性振動。當光鏡處於靜止狀態時，物質波均勻彌散地充滿整個光腔。此時未呈現異常動力學特徵。
當光鏡以接近光腔基頻共振頻率、即約100赫茲振動時，物質波迅速收縮聚集。它形成一個單一的移動脈衝。研究人員通過頻閃觀測方式，在光鏡振動的每個週期採集一次圖像。
在約70毫秒的觀測窗口內，無論脈衝最初在腔內何處形成，都會在幾個週期內持續向同一個穩定不動點聚集。同時它遠離不穩定不動點。這一單向朝穩定不動點聚集的動力學過程，在數學形式上精確對應了光線落入黑洞視界且無法逃逸的波動傳播行爲。
調控波形與相位 揭示時間反演與信號壓縮前景
除了基頻共振驅動，科研團隊還展示了多樣化的動力學控制。當光腔以2倍共振頻率驅動時，物質波分裂形成了2個獨立脈衝。它們各自朝向不同的穩定不動點移動。
在另一項測試中，團隊在光鏡振動中引入相位驟變。穩定不動點與不穩定不動點對調。原子波脈衝隨即反轉運動方向。這在受控動力學中展現了類似於時間反演的對稱性。
韋爾德教授對實驗前景進行展望時指出，團隊所觀測到的這種動力學行爲，連同其在固態平臺上實現的潛力，爲開發光信號壓縮與解壓縮的新方案指明瞭方向。論文作者同時指出，未來如果採用非正弦波形振動光鏡，還可以進一步模擬宇宙射線在移動磁場中散射獲取能量等物理過程。石溪大學冷原子物理學家多米尼克·施內布勒評價認爲，該裝置使研究人員能夠在有效光速附近探索振動反射鏡運動所引發的引人入勝的物理現象。
模擬時空視界邊界 澄清類比系統物理本質
研究團隊強調了這項模擬實驗的物理內涵與適用邊界。該實驗是通過人工調控的量子勢阱，模擬彎曲時空波動方程所描述的波動力學與視界邊界條件。它並非在實驗室內製造出具有引力坍縮的天文黑洞。也未直接探測到真實黑洞的霍金輻射。
真實黑洞由於距離遙遠且引力極端而無法直接在實驗室進行干預。模擬引力系統則提供了參數精確可控的微觀實驗模型。加州大學聖塔芭芭拉分校的成果證實了相對論波動聚集理論。它將法布里-珀羅光腔拓展至超強驅動條件，爲量子物理與彎曲時空模擬研究開闢了全新路徑。
