將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)，無(wú)疑是當(dāng)代科學(xué)面臨的最深刻挑戰(zhàn)。幾十年來(lái)，這一探索的核心是一個(gè)看似直接的實(shí)驗(yàn)原則：如果我們能夠僅僅通過(guò)引力相互作用觀察到兩個(gè)大質(zhì)量物體發(fā)生量子糾纏，那就構(gòu)成了明確的證據(jù)，證明引力本身是一種量子力。這個(gè)基于理查德·費(fèi)曼在 1957 年提出的思想實(shí)驗(yàn)的開創(chuàng)性想法，激發(fā)了無(wú)數(shù)旨在探測(cè)量子時(shí)空本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案。

然而，近期由 Joseph Aziz 和 Richard Howl 撰寫的發(fā)表在《自然》具有突破性的理論工作《經(jīng)典引力理論產(chǎn)生糾纏》（Classical theories of gravity produce entanglement）威脅要顛覆整個(gè)解釋框架。該論文提出了一個(gè)驚人的結(jié)論：即使是嚴(yán)格保持經(jīng)典性質(zhì)的引力理論，只要與描述物質(zhì)的完整量子場(chǎng)論（QFT）耦合，仍然可以產(chǎn)生量子糾纏。這一范式轉(zhuǎn)變并沒(méi)有使尋找量子引力的努力失效，但它極大地復(fù)雜化了對(duì)當(dāng)前和未來(lái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀，迫迫使物理學(xué)家去尋找更精妙、更明確的引力量子性的特征。

費(fèi)曼檢驗(yàn)與糾纏假設(shè)

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

1. 經(jīng)典相互作用：像經(jīng)典廣義相對(duì)論中的引力場(chǎng)這樣的純經(jīng)典場(chǎng)，被認(rèn)為是一種 LOCC 信道。它只能傳遞經(jīng)典信息（如位置和動(dòng)量），并對(duì)量子系統(tǒng)執(zhí)行局部操作，例如施加相位或力。
2. 檢驗(yàn)：考慮兩個(gè)小的、大質(zhì)量的測(cè)試物體，每個(gè)都準(zhǔn)備在一個(gè)兩種不同位置的疊加態(tài)中。如果將這兩個(gè)物體屏蔽所有其他力（電磁力、弱核力和強(qiáng)核力），只允許它們通過(guò)引力相互作用，那么它們隨后的狀態(tài)將提供關(guān)鍵信息。
3. 結(jié)論（Aziz/Howl 之前）：如果這兩個(gè)處于疊加態(tài)的質(zhì)量隨后變得糾纏——意味著它們的量子狀態(tài)不可分割地聯(lián)系在一起——那么介導(dǎo)信道必然能夠傳遞量子信息。由于唯一的信道是引力，而經(jīng)典場(chǎng)不能傳遞量子信息，因此結(jié)論是：引力必然是量子的。

正是這一結(jié)論推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)界努力，例如 Bose、Marletto 等人提出的方案，旨在挑戰(zhàn)量子技術(shù)的極限，將越來(lái)越重的物體置于宏觀空間疊加態(tài)。

理論上的顛覆：引力與量子物質(zhì)的耦合

Aziz 和 Howl 的論文仔細(xì)重新審視了在混合量子-經(jīng)典模型背景下引力相互作用的理論基礎(chǔ)——這是將經(jīng)典引力耦合到量子物質(zhì)的最保守方式。至關(guān)重要的是，他們的分析并沒(méi)有將引力相互作用視為一個(gè)簡(jiǎn)單的、瞬時(shí)的勢(shì)，而是將物質(zhì)場(chǎng)的描述擴(kuò)展到了量子場(chǎng)論（QFT）的完整框架。

這里的關(guān)鍵見解是，在這種混合框架中糾纏的產(chǎn)生源于物質(zhì)場(chǎng)的量子性質(zhì)，而不是引力場(chǎng)本身。

• 虛擬粒子交換：在QFT中，兩個(gè)大質(zhì)量物體（比如兩個(gè)質(zhì)子或兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量）之間的相互作用是通過(guò)對(duì)應(yīng)于基本力的虛擬粒子介導(dǎo)的。對(duì)于電磁力是虛擬光子；對(duì)于引力（在量子引力中）是虛擬引力子，或者在經(jīng)典描述中只是引力勢(shì)。
• 耦合機(jī)制：論文表明，即使將引力場(chǎng)視為非量子化的經(jīng)典背景場(chǎng)，它與量子物質(zhì)場(chǎng)（由 QFT 描述）的耦合也允許量子相關(guān)性的傳輸。與引力相互作用相關(guān)的虛擬量子物質(zhì)的交換可以有效地傳輸量子信息并產(chǎn)生糾纏。
• 非局域性：此外，該論文也間接指出，許多試圖維持經(jīng)典時(shí)空結(jié)構(gòu)但納入量子物質(zhì)的混合引力模型，往往存在非局域性或“超光速信號(hào)傳遞”的問(wèn)題——這些性質(zhì)違反了嚴(yán)格的 LOCC 要求，因此可以產(chǎn)生糾纏。

這個(gè)結(jié)果意義深遠(yuǎn)：在引力實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的糾纏可能源于在經(jīng)典引力背景下運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)的量子特性，而不是源于一個(gè)量子化的引力場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)

經(jīng)典引力與量子物質(zhì)耦合可以產(chǎn)生糾纏的發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有使尋找量子引力的實(shí)驗(yàn)變得毫無(wú)意義；相反，它使這項(xiàng)任務(wù)變得更加微妙。它將目標(biāo)從僅僅探測(cè)到糾纏轉(zhuǎn)移到 描述糾纏的性質(zhì)。

1.區(qū)分標(biāo)度律：Aziz 和 Howl 提出，經(jīng)典-量子混合模型產(chǎn)生的糾纏效應(yīng)，與純量子引力理論預(yù)測(cè)的標(biāo)度律（scaling）不同。未來(lái)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵重點(diǎn)將是：

• 測(cè)量糾纏量 (ε) 隨實(shí)驗(yàn)參數(shù)（例如物體質(zhì)量 (M) 和相互作用時(shí)間 (Δt)）的變化情況。
• 將觀察到的標(biāo)度律 (ε∝f(M, Δt)) 與混合理論和完整量子引力理論的獨(dú)特預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。

2.尋找獨(dú)特的簽名：物理學(xué)家現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)向識(shí)別只有真正的量子引力場(chǎng)才能產(chǎn)生的現(xiàn)象。這些獨(dú)特的簽名可能涉及：

• 時(shí)空的量子疊加：尋找時(shí)空本身處于疊加態(tài)的證據(jù)，這是量子引力的標(biāo)志，而不僅僅是經(jīng)典時(shí)空中的量子物質(zhì)。
• 修正的退相干：觀察引力場(chǎng)如何以量子時(shí)空波動(dòng)的獨(dú)特方式影響物質(zhì)疊加態(tài)的退相干（量子性丟失）。

總之，《經(jīng)典引力理論產(chǎn)生糾纏》是一項(xiàng)至關(guān)重要的理論貢獻(xiàn)，它為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)提供了一個(gè)關(guān)鍵的警示。它迫使人們放棄對(duì)費(fèi)曼檢驗(yàn)的簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)、標(biāo)度或現(xiàn)象學(xué)中更深層次、更微妙的簽名。統(tǒng)一物理學(xué)的目標(biāo)仍然存在，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的路徑已經(jīng)變得更加復(fù)雜且更具智慧挑戰(zhàn)性。