防走失，電梯直達(dá)安全島

來源：環(huán)球科學(xué)

作者：不周

“如果你在任何層面相信量子力學(xué)，你就必須相信引力具有量子性。否則會(huì)導(dǎo)致物理理論內(nèi)部出現(xiàn)矛盾?！边@是物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在1957年教堂山會(huì)議（Chapel Hill Conference）上發(fā)表的直覺性觀點(diǎn)，也推動(dòng)了一個(gè)研究領(lǐng)域的興起。

當(dāng)時(shí)是核物理的黃金時(shí)代，原子彈的成功引爆向世界宣告了量子理論的威力。相比之下，愛因斯坦的廣義相對(duì)論雖然優(yōu)雅，卻在幾十年里顯得低調(diào)、邊緣。物理學(xué)界普遍認(rèn)為，引力是純粹的幾何問題，更具哲學(xué)趣味。在這樣的背景下，1957年1月18日至23日，美國北卡羅來納州教堂山舉辦了一場(chǎng)國際會(huì)議，召集了一批年輕物理學(xué)家，專門研討“引力在物理學(xué)中的作用”。這場(chǎng)持續(xù)了六天的會(huì)議，酣暢淋漓地探討了廣義相對(duì)論的諸多議題，不僅重新點(diǎn)燃了年輕一代物理學(xué)家對(duì)廣義相對(duì)論的熱情，也對(duì)量子引力研究帶來了深遠(yuǎn)的影響。

圖片來源：Wikimedia Commons

現(xiàn)代物理學(xué)一直籠罩在烏云之下，這源自描述微觀世界的量子理論和描述宏觀視角的廣義相對(duì)論在最底層的矛盾。毋庸置疑的是，物理學(xué)家無法接受二者之間的矛盾，物理學(xué)規(guī)律需要在各個(gè)尺度上保持一致。那么如何彌合二者之間的裂縫，這也是教堂山會(huì)議討論的主題之一：量子力學(xué)與廣義相對(duì)論是否必須統(tǒng)一？若要統(tǒng)一，引力是否必須量子化？

這場(chǎng)會(huì)議上提出的觀點(diǎn)可謂百家爭(zhēng)鳴。但費(fèi)曼并不滿足于抽象的數(shù)學(xué)論證，在與會(huì)者越發(fā)深入的討論中，他選擇拋棄繁復(fù)的公式，直接用直觀的物理圖像來探究引力是否具有量子特性。直到今天，費(fèi)曼的構(gòu)想仍被頻繁引用，已成為量子引力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的藍(lán)圖。

費(fèi)曼的思想實(shí)驗(yàn)

自上世紀(jì)六十年代量子引力的研究興起，數(shù)十年過去，理論物理學(xué)家已初步提出了多種復(fù)雜的量子引力理論，其中弦論和圈量子引力是廣受歡迎的兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者。前者假設(shè)基本粒子本質(zhì)上是在看不見的空間維度中振動(dòng)的弦，而后者認(rèn)為時(shí)空結(jié)構(gòu)由微小的圈環(huán)組成的網(wǎng)絡(luò)編織而成。然而，對(duì)于這些奇特而抽象的理論，物理學(xué)家并沒有找到任何確鑿的證據(jù)證明引力具有量子性質(zhì)，甚至不確定應(yīng)該如何尋找證據(jù)。如今，越來越多的研究人員不再寄希望于提出新的量子引力理論，而是希望通過實(shí)驗(yàn)探究引力在本質(zhì)上究竟是經(jīng)典還是量子的。

回到1957年，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家還在探討引力是否必須具有量子性質(zhì)，費(fèi)曼已經(jīng)從邏輯上判定引力不可能沒有量子性，并由此提出了一個(gè)能揭示引力量子本質(zhì)的思想實(shí)驗(yàn)。這個(gè)構(gòu)想很簡(jiǎn)單：選擇一個(gè)特定質(zhì)量的物體，令它處于兩個(gè)位置的量子疊加態(tài)，再讓其與另一個(gè)大質(zhì)量物體通過引力相互作用。當(dāng)然，這個(gè)物體的質(zhì)量既不能太大，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致失去量子特性，也不能太小，否則引力會(huì)小到不足以造成影響，這之間的平衡點(diǎn)就是普朗克質(zhì)量（約0.02毫克）。

費(fèi)曼思想實(shí)驗(yàn)的可視化。

圖片來源：原論文

這一思想實(shí)驗(yàn)的妙處在于，如果引力真的具有量子特性，那么第一個(gè)處于位置疊加態(tài)的普朗克質(zhì)量物體，其引力場(chǎng)也應(yīng)該處于量子疊加態(tài)，當(dāng)通過引力場(chǎng)與第二個(gè)普朗克質(zhì)量物體相互作用時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致第二個(gè)物體也處于量子疊加態(tài)，且二者會(huì)共同進(jìn)入量子糾纏態(tài)。但倘若引力是經(jīng)典的，二者間也不會(huì)產(chǎn)生糾纏。這意味著，僅通過二者之間是否能產(chǎn)生糾纏，就可以判斷引力是否具有量子性質(zhì)。隨著技術(shù)進(jìn)步，科學(xué)家也逐漸不滿足于停留在思想實(shí)驗(yàn)的層面，開始從理論探討轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)探測(cè)。

基于這張藍(lán)圖，一些物理學(xué)家想到，可以在真空中將微小的粒子置于位置疊加態(tài)，再觀測(cè)它能否僅通過引力讓附近的第二個(gè)粒子與之糾纏。但這個(gè)方案的挑戰(zhàn)在于，只有物體足夠重，才能產(chǎn)生可探測(cè)的引力，2021年我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)只能探測(cè)到約90毫克重的物體產(chǎn)生的引力，根本無法實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量物體的疊加態(tài)。還有一些研究團(tuán)隊(duì)想到，可以令擁有量子自旋特性的微小顆粒自由下落，利用磁場(chǎng)通過自旋控制其路徑，使其處于沿兩條平行路徑下落的疊加態(tài)，但這種方法用到的每一個(gè)步驟都極為復(fù)雜，可能需要幾十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)測(cè)試。

除此之外，還有一些借助其他儀器，或無需糾纏即可檢驗(yàn)引力量子性的方案，但無一不面臨技術(shù)上的重重阻礙。總體而言，盡管道阻且長(zhǎng)，物理學(xué)家正在走出“黑暗中建模艱深理論”的階段。但就在躊躇滿志之際，一項(xiàng)發(fā)表于《自然》（

Nature

經(jīng)典引力也能糾纏？

長(zhǎng)期以來，物理學(xué)界堅(jiān)信，經(jīng)典媒介（比如引力）無法產(chǎn)生量子糾纏，這也是費(fèi)曼思想實(shí)驗(yàn)的基石。因此如果看到通過媒介產(chǎn)生了糾纏，也意味著媒介必然具有量子性。然而，這項(xiàng)新研究卻發(fā)現(xiàn)，這個(gè)邏輯可能存在一個(gè)致命的漏洞。

量子信息領(lǐng)域有一條定律，局域操作與經(jīng)典通信（LOCC）。它描述的是，如果愛麗絲和鮑勃兩人手里各有一個(gè)粒子，他們用“只能傳輸0和1的經(jīng)典電話線”聯(lián)系，那么無論他們?cè)鯓雍献鳎掷锏膬蓚€(gè)粒子都絕不可能憑空產(chǎn)生量子糾纏。如果兩人的粒子通過一條電話線產(chǎn)生了糾纏，那證明這條經(jīng)典“電話線 ”本身就具有量子性。這構(gòu)成了一個(gè)看上去完美的邏輯閉環(huán)。

圖片來源：《環(huán)球科學(xué)》2024年10月刊《量子時(shí)空：突破思想實(shí)驗(yàn)？》

但這項(xiàng)研究指出，即使這條引力“電話線”完全是經(jīng)典的，依然可以通過一種非線性的反饋機(jī)制，讓愛麗絲和鮑勃手中的粒子看上去像被糾纏起來。這是因?yàn)檠芯繉⑴c引力相互作用的物質(zhì)，從量子力學(xué)模型轉(zhuǎn)向了量子場(chǎng)論模型。在這種框架下，經(jīng)典物質(zhì)場(chǎng)中可能存在虛擬的傳播子（特定的反饋機(jī)制），在引力經(jīng)典的情況下，使兩個(gè)粒子建立起類似糾纏的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。由于這種“類糾纏”并非真正的量子糾纏，我們并不能說費(fèi)曼錯(cuò)了。但如果這項(xiàng)理論發(fā)現(xiàn)可靠，且真能實(shí)現(xiàn)基于費(fèi)曼構(gòu)想的實(shí)驗(yàn)，那么觀測(cè)到的糾纏也可能不再是確定引力具有量子性的“試金石”。

這一結(jié)論很快引起了激烈的爭(zhēng)議。一些物理學(xué)家明確指出，新模型中的糾纏通過量子物質(zhì)本身的場(chǎng)論機(jī)制實(shí)現(xiàn)，并非真正由引力傳遞量子信息。也有人提出了新的引力模型，能夠產(chǎn)生經(jīng)典但并非量子糾纏的效應(yīng)。盡管爭(zhēng)議未有定論，但這項(xiàng)新研究似乎已經(jīng)輕輕敲響警鐘：要證明引力量子化，仍需要不斷檢驗(yàn)現(xiàn)有的理論，僅僅觀察糾纏可能還不夠。

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

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03132-2

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02509-7

https://edition-open-sources.org/sources/5/30/index.html

https://edition-open-sources.org/sources/5/toc.html

《環(huán)球科學(xué)》2024年10月刊《量子時(shí)空：突破思想實(shí)驗(yàn)？》