《自然》顛覆性發現：糾纏不再是引力的量子標志

將量子力學和廣義相對論統一起來，無疑是當代科學面臨的最深刻挑戰。幾十年來，這一探索的核心是一個看似直接的實驗原則：如果我們能夠僅僅通過引力相互作用觀察到兩個大質量物體發生量子糾纏，那就構成了明確的證據，證明引力本身是一種量子力。這個基于理查德·費曼在 1957 年提出的思想實驗的開創性想法，激發了無數旨在探測量子時空本質的實驗方案。

然而，近期由 Joseph Aziz 和 Richard Howl 撰寫的發表在《自然》具有突破性的理論工作《經典引力理論產生糾纏》（Classical theories of gravity produce entanglement）威脅要顛覆整個解釋框架。該論文提出了一個驚人的結論：即使是嚴格保持經典性質的引力理論，只要與描述物質的完整量子場論（QFT）耦合，仍然可以產生量子糾纏。這一范式轉變并沒有使尋找量子引力的努力失效，但它極大地復雜化了對當前和未來實驗結果的解讀，迫迫使物理學家去尋找更精妙、更明確的引力量子性的特征。

費曼檢驗與糾纏假設

使用糾纏作為量子引力標志的傳統論點，建立在量子信息論的一個基本定理之上：局部操作和經典通信（LOCC）不能產生糾纏。

1. 經典相互作用：像經典廣義相對論中的引力場這樣的純經典場，被認為是一種 LOCC 信道。它只能傳遞經典信息（如位置和動量），并對量子系統執行局部操作，例如施加相位或力。
2. 檢驗：考慮兩個小的、大質量的測試物體，每個都準備在一個兩種不同位置的疊加態中。如果將這兩個物體屏蔽所有其他力（電磁力、弱核力和強核力），只允許它們通過引力相互作用，那么它們隨后的狀態將提供關鍵信息。
3. 結論（Aziz/Howl 之前）：如果這兩個處于疊加態的質量隨后變得糾纏——意味著它們的量子狀態不可分割地聯系在一起——那么介導信道必然能夠傳遞量子信息。由于唯一的信道是引力，而經典場不能傳遞量子信息，因此結論是：引力必然是量子的。

正是這一結論推動了實驗界努力，例如 Bose、Marletto 等人提出的方案，旨在挑戰量子技術的極限，將越來越重的物體置于宏觀空間疊加態。

理論上的顛覆：引力與量子物質的耦合

Aziz 和 Howl 的論文仔細重新審視了在混合量子-經典模型背景下引力相互作用的理論基礎——這是將經典引力耦合到量子物質的最保守方式。至關重要的是，他們的分析并沒有將引力相互作用視為一個簡單的、瞬時的勢，而是將物質場的描述擴展到了量子場論（QFT）的完整框架。

這里的關鍵見解是，在這種混合框架中糾纏的產生源于物質場的量子性質，而不是引力場本身。

• 虛擬粒子交換：在QFT中，兩個大質量物體（比如兩個質子或兩個測試質量）之間的相互作用是通過對應于基本力的虛擬粒子介導的。對于電磁力是虛擬光子；對于引力（在量子引力中）是虛擬引力子，或者在經典描述中只是引力勢。
• 耦合機制：論文表明，即使將引力場視為非量子化的經典背景場，它與量子物質場（由 QFT 描述）的耦合也允許量子相關性的傳輸。與引力相互作用相關的虛擬量子物質的交換可以有效地傳輸量子信息并產生糾纏。
• 非局域性：此外，該論文也間接指出，許多試圖維持經典時空結構但納入量子物質的混合引力模型，往往存在非局域性或“超光速信號傳遞”的問題——這些性質違反了嚴格的 LOCC 要求，因此可以產生糾纏。

這個結果意義深遠：在引力實驗中產生的糾纏可能源于在經典引力背景下運動的物質的量子特性，而不是源于一個量子化的引力場。

實驗物理學面臨的新挑戰

經典引力與量子物質耦合可以產生糾纏的發現，并沒有使尋找量子引力的實驗變得毫無意義；相反，它使這項任務變得更加微妙。它將目標從僅僅探測到糾纏轉移到 描述糾纏的性質。

1.區分標度律：Aziz 和 Howl 提出，經典-量子混合模型產生的糾纏效應，與純量子引力理論預測的標度律（scaling）不同。未來實驗的一個關鍵重點將是：

• 測量糾纏量 (ε) 隨實驗參數（例如物體質量 (M) 和相互作用時間 (Δt)）的變化情況。
• 將觀察到的標度律 (ε∝f(M, Δt)) 與混合理論和完整量子引力理論的獨特預測進行比較。

2.尋找獨特的簽名：物理學家現在必須轉向識別只有真正的量子引力場才能產生的現象。這些獨特的簽名可能涉及：

• 時空的量子疊加：尋找時空本身處于疊加態的證據，這是量子引力的標志，而不僅僅是經典時空中的量子物質。
• 修正的退相干：觀察引力場如何以量子時空波動的獨特方式影響物質疊加態的退相干（量子性丟失）。

總之，《經典引力理論產生糾纏》是一項至關重要的理論貢獻，它為實驗物理學提供了一個關鍵的警示。它迫使人們放棄對費曼檢驗的簡單、清晰的解釋。量子引力的真正鐵證不再僅僅是糾纏的存在，而是在引力相互作用的動力學、標度或現象學中更深層次、更微妙的簽名。統一物理學的目標仍然存在，但實現這一目標的路徑已經變得更加復雜且更具智慧挑戰性。