摘要：纠缠的粒子彼此相连，因此，即使它们相隔很远的距离，一个粒子的变化也会立即导致另一个粒子的变化。阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 将这个想法斥为“远距离的幽灵般的动作”，但后来的实验证明，这种奇异的、打破局部效应是真实的。

物理学家长期以来一直怀疑质子的构建块经历了量子纠缠。现在，研究人员有了第一个直接证据——在使用技巧推断亚原子粒子的熵之后。

一位艺术家的量子纠缠插图。 （图片来源：Jurik Peter via Shutterstock）

科学家们观察了质子内部，发现夸克和胶子是它们的基本组成部分，它们会经历量子纠缠。

纠缠的粒子彼此相连，因此，即使它们相隔很远的距离，一个粒子的变化也会立即导致另一个粒子的变化。阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 将这个想法斥为“远距离的幽灵般的动作”，但后来的实验证明，这种奇异的、打破局部效应是真实的。

物理学家以前已经观察到夸克之间的纠缠，但从未发现过它们在质子内部以量子连接状态存在的证据。

现在，一组研究人员发现质子内部的夸克和胶子之间在一千万亿米的距离内存在纠缠，这使得粒子能够在质子之间共享信息。研究人员于 2024 年 12 月 2 日在《物理学进展报告》杂志上发表了他们的发现。

“几十年来，我们一直将质子视为夸克和胶子的集合，我们一直专注于了解所谓的单粒子特性，包括夸克和胶子如何在质子内部分布，”该研究的合著者、纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的物理学家 Zhoudunming Tu在一份声明中说.“现在，有证据表明夸克和胶子是纠缠的，情况已经发生了变化。我们有一个更复杂、更动态的系统。

量子纠缠的实验证明最早出现在 1970 年代，但这种现象的许多方面仍相对未被探索——包括夸克之间的纠缠相互作用。这主要是因为亚原子粒子本身并不存在，而是融合成各种称为强子的粒子组合。例如，重子，如质子和中子，是三个夸克的组合，这些夸克由强承载力的胶子紧密结合在一起。

当单个夸克从强子中被撕裂时，用于提取它们的能量使它们变得不稳定，在称为强子化的过程中将它们转化为粒子的分支射流。这使得筛选数万亿个粒子衰变产物以重建其原始状态的任务变得异常困难。

但这正是研究人员所做的。为了探测质子的内部工作原理，科学家们挖掘了大型强子对撞机 （LHC） 和强子电子环加速器 （HERA） 粒子对撞机实验收集的数据。

然后，他们应用了量子信息科学的一个原理，即系统的熵（衡量一个系统可以排列多少种能量状态的指标，经常被错误地称为“无序”）随着它的纠缠而增加——导致粒子喷雾的分布看起来更混乱。

通过将粒子喷雾与其熵的计算结果进行比较，物理学家发现碰撞质子内部的夸克和胶子以最大纠缠状态存在，每个量子都共享尽可能多的信息。

“熵通常与某些信息的不确定性有关，而纠缠导致纠缠的两方之间信息'共享'。所以这两者在量子力学中可以相互关联，“Tu 在一封电子邮件中告诉 Live Science。“我们使用预测的熵（假设纠缠）来检查数据所说的内容，我们发现非常一致。”

科学家们表示，他们的发现可能有助于更深入地了解基本粒子，例如夸克和胶子如何仍然局限在质子内。这项研究还引发了关于当质子被锁定在原子核内时纠缠如何变化的进一步问题。

“因为原子核是由质子和中子组成的，所以很自然地会问纠缠会对原子核结构产生什么影响，”Tu 说。“我们计划使用电子离子对撞机 （EIC） 来研究这个问题。这将在 10 年后实现。在此之前，一些碰撞类型，即重离子碰撞中的超外围碰撞，也可能有效。

来源：科学奇妙元素