經(jīng)典引力也可建立量子糾纏？

廣義相對論認(rèn)為，質(zhì)量會使時(shí)空彎曲。那么量子力學(xué)該如何解釋這一現(xiàn)象？

NASA

新研究表明，即使引力不可量子化，也可以建立物質(zhì)間的量子糾纏。

來自倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院（Royal Holloway, University of London）的兩位物理學(xué)家Joseph Aziz和Richard Howl的研究結(jié)果，向人們對量子場和經(jīng)典引力運(yùn)作方式的看法發(fā)起了挑戰(zhàn)。

尋找量子引力可能是物理學(xué)的下一個(gè)巨大飛躍。在物理學(xué)中，目前由量子力學(xué)解釋微觀世界，廣義相對論描述宏觀宇宙。但人們一直在尋找一種能夠?qū)⑦@二者統(tǒng)一起來的方法。

兩大理論都起源于二十世紀(jì)初，但100年過去了，科學(xué)家仍未找到將它們統(tǒng)一的辦法。它們目前依然是矛盾的。而這兩位學(xué)者的結(jié)論讓這一難題變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜。

研究是在1957年著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

費(fèi)曼提出，如果一個(gè)具有質(zhì)量的物體（例如一個(gè)蘋果）能夠進(jìn)入量子疊加態(tài)，那么它所產(chǎn)生的引力場是否也能進(jìn)入疊加態(tài)？

疊加態(tài)是量子力學(xué)中物體屬性——比如位置、動(dòng)量、電荷或自旋方向——的一種特殊狀態(tài)。在量子力學(xué)里，這些屬性是多個(gè)可能性的一種組合，其概率是用波函數(shù)來描述的。疊加態(tài)物體一經(jīng)觀測，波函數(shù)就會坍縮，各種屬性便從模糊的概率，轉(zhuǎn)變成了明確結(jié)果。

在費(fèi)曼的設(shè)想中，處于疊加態(tài)的蘋果，在被觀測前其位置是不確定的，同時(shí)有兩種可能。此時(shí)如果有第二個(gè)蘋果，與前者發(fā)生了引力的相互作用。那么如果第一個(gè)蘋果的位置處于疊加態(tài)，其引力場是否也處于疊加態(tài)？

若引力場無法處于疊加態(tài)，那么它會與疊加態(tài)的蘋果發(fā)生耦合，并導(dǎo)致蘋果的量子態(tài)發(fā)生退相干，從而破壞疊加態(tài)。

費(fèi)曼據(jù)此得出推論，如果引力不能量子化，那么物體就不能處于疊加態(tài)。但我們知道物體可以進(jìn)入疊加態(tài)，所以引力必須是量子的。

這一邏輯構(gòu)成了現(xiàn)代通過量子糾纏檢測量子引力的核心思路。

但新研究對這此發(fā)起了挑戰(zhàn)，認(rèn)為經(jīng)典引力也可以建立量子糾纏。

所謂量子糾纏是量子力學(xué)中兩個(gè)或多個(gè)物體之間的一種強(qiáng)相關(guān)性。它們以某種方式相互作用后，即使被分隔到宇宙兩端，對其中一個(gè)物體的測量也會瞬間影響到另一個(gè)的狀態(tài)。這種關(guān)聯(lián)源于它們共享同一個(gè)量子態(tài)，被視為是量子世界最反直覺的特性之一。

量子糾纏通常被視為一種純粹的量子現(xiàn)象。因此如果要通過引力建立這種關(guān)系，引力本身必須處于疊加態(tài)，而這表明引力必須是量子的。

但新研究結(jié)論認(rèn)為，至少在數(shù)學(xué)上，情況并非如此。

相對論將引力描述為時(shí)空的曲率。但是在量子力學(xué)里，基本作用力都可以分割為一份份的“能量子”。比如電磁力可以分解為光子。如果引力確實(shí)是量子的，那也必須是可分的，比如可以被分解為一份份的“引力子（graviton）”。但是從未有人發(fā)現(xiàn)過引力子。雖然這通常被解釋為，單個(gè)引力子與傳感器發(fā)生作用的概率極低。

兩位學(xué)者證明，量子場中的虛粒子過程也可以建立糾纏，而使引力場本身保持經(jīng)典。虛粒子并不是真實(shí)存在的粒子，而是量子場論計(jì)算中出現(xiàn)的數(shù)學(xué)要素。也就是說，經(jīng)典引力場也能夠使這兩個(gè)物體建立糾纏。

換而言之，引力的相互作用可能是一種更為整體的現(xiàn)象，而并非只是基于微觀世界的力量傳遞方式。這其中可能涉及，也可能不涉及某種尚未發(fā)現(xiàn)的量子過程。假如引力確實(shí)是可以量子化的，這一發(fā)現(xiàn)仍然意味著經(jīng)典引力行為中隱藏著某種未知的新特性。

不過研究結(jié)果顯示，經(jīng)典引力建立的糾纏，其強(qiáng)度要遠(yuǎn)弱于理論上量子引力建立的糾纏。并因此引起了一些學(xué)術(shù)爭議。研究人員表示，他們的研究并未排除量子引力存在的可能。

糾纏的強(qiáng)度是由粒子或物體間的關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)的。假設(shè)有一個(gè)量子的自旋為“上”，另一個(gè)量子自旋為“下”。如果兩個(gè)量子處于強(qiáng)糾纏態(tài)，那么當(dāng)我們知道一個(gè)粒子是“上”，無需測量就能確定另一個(gè)必然是“下”。

而在由經(jīng)典引力建立的糾纏關(guān)系中，這種關(guān)聯(lián)性會弱很多。它更接近概率。如果我們測量另一個(gè)粒子的自旋，那么其為“下”的概率會不如量子引力建立的那么高。

該研究還只停留在純理論的層面上。現(xiàn)實(shí)中是否也是這樣不得而知，要驗(yàn)證也非常困難。不過研究人員樂觀地表示，未來幾十年內(nèi)，費(fèi)曼的實(shí)驗(yàn)終將能夠?qū)嵤榱孔右κ欠裾鎸?shí)存在提供檢驗(yàn)。

參考

Classical theories of gravity produce entanglement

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09595-7