颠覆传统认知！英国物理学家发现经典万有引力能引起量子纠缠

        前些天，《自然》杂志发表了一篇论文，这可真是给热闹的物理圈儿泼了一盆寒水。

        英国的两位理论物理学家，约瑟夫·阿齐兹和理查德·豪尔，研究发现：即使引力属于“经典范畴”，不按照量子力学的规矩来操作，它依然能让两个有质量的物体产生量子纠缠。这一结论，可真是令人意外，让人对引力和量子世界的关系又多了一层猜测。

       这下子，直接把物理圈里六十多年的“老规矩”给颠覆了。

       你得知道，现在很多国际实验室都在大把花钱准备实验，就等着用“引力诱导纠缠”来证明引力其实也是量子的。

       如今看来，这些花大价钱买的设备，要是不搞点调整，搞不好连引力到底是经典的还是量子的都搞不明白。

几十年的执念：引力为啥这么特立独行

咱们得先搞清楚一件事：为什么物理学家对“引力到底是不是量子力”这么这般较真？毕竟，自然界中有四种基本作用力：电磁力、强核力、弱核力和引力。

前面那三种作用力早就被算进量子场论体系，规规矩矩地站队，听话乖乖的。

唯独引力这块“硬骨头”，一直不好搞定。爱因斯坦的广义相对论，把它说得清清楚楚，就是时空的弯曲，能完整解释行星运行、黑洞啥的这些大块头现象。

要把引力纳入量子力学的体系，麻烦就跟着来了。

用常规的办法去把引力变成量子理论，到了高能量水平，整个理论就崩溃了，数学算出来全是无穷大，根本没法搞下去，这也被叫作“不可重整化”。

为了应对这个难题，弦理论、圈量子引力这些“候选方案”都涌出来了，不过都少了个关键环节——就是实验验证。

就像大家都在寻那把能解开“宇宙终极密码”的钥匙一样，引力就像那扇还没有上锁的门，谁也说不好这钥匙究竟长啥模样。

费曼66年前挖的坑，成了物理学界的指路牌

1957年，在北卡罗来纳州教堂山举行的引力与相对论会议上，物理学界的“大神”费曼提出了一个新观点，算是为那些迷茫的物理学家指明了一条方向。

他想出一个思想实验：把一个达到普朗克质量水平的物体，做成“同时在两个位置”的量子叠加态，然后让它和另外一个有质量的物体，通过引力产生相互作用。

费曼觉得，只要能检测到量子效应，就能证实引力也是量子的。

尽管他当时没详细解释怎么去测，但后来物理界都默认，假如能测出两个物体发生了量子纠缠，那引力肯定也是量子的。

这个结论其实是有个硬性规则在支撑，叫LOCC原理，简单点说，就是“局部操作结合经典信息传递，搞不出纠缠。”

物理学家们一直认为，传统的引力其实就是一种典型的LOCC作用：它是在局部范围内产生的，传递的也只是经典信息，根本就无法引发纠缠。

因此，一旦观察到引力引发的纠缠，那只能说明引力本身具有量子性质，就像量子电动力学中虚光子传递量子信息一样。

过去二十年，这套逻辑都没人敢反对，已经变成了全世界实验设计的“理论根基”。

科学家们绞尽脑汁，想把微米甚至毫米大小的东西变成量子叠加态，还得让它们在不被干扰的环境中“和平共处”够长时间，靠引力制造出纠缠状态。

这活儿难度简直大得吓人：既得把东西和外界彻底隔开，保证量子相干性能持续好几秒，还得把真空度搞得特别高。

不过大家都觉得挺值得，毕竟这可能揭示引力的终极奥秘。

量子场论戳破漏洞，原来物质不是点粒子

就在大家一心一意准备验证的时候，阿齐兹和豪尔突然泼了把冷水。

他们一琢磨才发现，之前的推导忽略了个关键前提，把物质当成了量子力学里的“点粒子”或者那种硬邦邦的东西，其实真正的物质，是按照更基本的量子场论来描述的。

在量子场论中，物质其实就是“场的激发状态”，就像水面上的波纹一样。

相互作用不仅靠力的传递媒介来完成，还涉及到物质场中“虚粒子”的交换。

为了把这个道理讲得更清楚，两个人用量子电动力学作为例子来解释。

平常我们说两个电子通过虚光子来交换相互作用，这只是最简单的那一层次。

实际上，在更复杂的计算中，还会用到许多虚电子、虚正电子在“助阵”。

其实，从更宽的角度来看，电磁作用根本没办法把“光子那块”和“物质那块”分开，它们是紧紧相连，一起传递作用的。

按照这个想法说吧，既然把电磁场当成经典的，虚光子的传递途径就堵死了，可是虚物质粒子还在，不知道这样一来会不会有什么特别的影响。

这就意味着，哪怕场其实是经典的，两个带电物体之间通过虚物质粒子的量子涨落，依旧可以实现量子信息的交换。

把这个思路放到引力上，结果就让人大吃一惊了。

阿齐兹和豪尔提出了“微扰经典引力”的理论：时空的轻微扰动属于经典范畴，没有进行量子化，但物质依旧按量子场论的规则来运行。

他们通过费曼图的计算发现，虽然没有虚拟引力子的传递作用，但却存在虚拟物质粒子在“搭桥”——这些粒子能够串联起处于叠加态的不同质量位置，将量子信息传递过去，从而自然地引发了纠缠。

更令人关注的是，他们得出的纠缠参数在两种情况中竟然不一样。

量子引力里的纠缠参数φ，与质量的平方和作用时间呈正相关，和距离则是成反比；而经典引力的参数ϑ虽然也受到这些因素的影响，但它们之间的比例关系完全不一样。

特别是在质量临近普朗克质量（大约是2.176×10⁻⁸千克，差不多是跳蚤质量的四千分之一）的时候，经典引力导致的纠缠效果会变得尤为明显。

这就表示，光看“纠缠”没啥用，靠经典引力它也能帮上忙。

要搞清楚两者的区别，就得非常精准地测量纠缠强度随着质量、时间和距离变化的情况，然后再拿出来跟理论上的预估比对比。

全球实验陷两难，要么技术不够，要么分不清

这个发现让原本准备中的实验一下子变得挺尴尬。

之前还在担心能不能看到纠缠，现在该考虑的是纠缠的强度怎么变化，这下对精度和参数调节的要求可得直线上升。

论文里那张参数图一看，真是揭示了个铁的事实：要用超小的质量（比如10⁻1⁴千克）和长时间（比如2秒）来做实验，找证明还是挺难的。经典引力的纠缠效应确实很微弱，要想通过观察纠缠来证明量子引力，基本上就是在用微弱的信号寻找量子特性。

不过，要把真空度高到10帕斯卡，这还真是难如登天，现在世界上顶尖的实验室最多也就坚持到10帕斯卡，差距可是达到了上万倍，基本上没那个条件实现。

要不咱换个办法，用接近普朗克质量的物体，把作用时间缩短到微秒级，实际上这样一来，真空的要求就低了不少。因为退相干的速度远远赶不上由引力效应增强带来的变化速度，反倒是减轻了对真空环境的苛刻条件。

再遇麻烦啊，这时候经典引力的纠缠效应琢磨得太清楚了，光凭眼睛根本分不出到底是哪回事儿，只能一遍又一遍地调整质量和距离，测好多数据，然后再跟理论曲线比一比。

更烦的是，老牌引力学说本来也不止一个版本。

有人说引力场会对物质能量的平均值作出反应，有的则认为是由随机涨落带动，至于各种理论中关于纠缠的规律，差别还挺微妙的。

就算剔除了一种传统的模型，也没法完全排除所有其他的可能性。

科学探索从不是直路，十年磨一剑可能才刚起步

实际上，这次风波透露出了基础物理实验中隐藏的一个根本难题：我们该怎么验证一个还没有完全建立起来的理论呢？比起希格斯玻色子那样，有成熟的标准模型提供明确预言，量子引力可就没有这么方便了。

弦理论、圈量子引力这些说法，在低能范围内的预言几乎都差不多，至于经典引力的展现方式，也不止一种操作办法。

做实验不能再单纯追问“是不是”，得在理论的迷雾中划出一块“或许”的区域。

如今，物理学家们得把所有关于量子引力的实验方案都重新打量一遍。

除了检测纠缠之外，还有引力退相干、时空涨落这些方案，也许里面也潜藏着类似的问题。是不是这些效果也能被经典理论伪装模拟呢？都得重新核算一遍，别掉坑里。

对实验物理学家而言，现在最紧要的事就是先看看手头的设备能不能达到所需的精度标准。

目前已经有一些团队在尝试，用超导磁悬浮的方式，把毫克级的物体隔离成叠加态，或者利用光学腔来延长它的相干时间。

不过，从技术验证到真正能验证理论的成熟实验，业界估计得扔十年左右的时间。

也许，这未必算坏事。

阿齐兹和豪尔的研究其实就提醒我们：即使一套理论看起来再完美，换个角度一瞧，可能就露出破绽了。

费曼六十多年前设计的思想实验，曾经带领我们走向了实验验证的道路，而现在这项新发现，让我们把目标变得更加明确、精准了。

引力到底是不是量子力的，这个终极之谜还没有搞清楚。

可毫无疑问，科学的探索从来都不是一条平坦直捷的路。

那些看似“偏离正轨”的发现，反而常常能让我们对自然的认知迈出更大一步。

也许到了十年后，等更先进的实验终于揭晓答案，我们会感谢这次“出乎意料的插曲”。