費曼錯了？《自然》罕見理論論文：經典引力也可能產生量子糾纏

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來源：環球科學

作者：不周

“如果你在任何層面相信量子力學，你就必須相信引力具有量子性。否則會導致物理理論內部出現矛盾。”這是物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）在1957年教堂山會議（Chapel Hill Conference）上發表的直覺性觀點，也推動了一個研究領域的興起。

當時是核物理的黃金時代，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論雖然優雅，卻在幾十年里顯得低調、邊緣。物理學界普遍認為，引力是純粹的幾何問題，更具哲學趣味。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國際會議，召集了一批年輕物理學家，專門研討“引力在物理學中的作用”。這場持續了六天的會議，酣暢淋漓地探討了廣義相對論的諸多議題，不僅重新點燃了年輕一代物理學家對廣義相對論的熱情，也對量子引力研究帶來了深遠的影響。

圖片來源：Wikimedia Commons

現代物理學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論在最底層的矛盾。毋庸置疑的是，物理學家無法接受二者之間的矛盾，物理學規律需要在各個尺度上保持一致。那么如何彌合二者之間的裂縫，這也是教堂山會議討論的主題之一：量子力學與廣義相對論是否必須統一？若要統一，引力是否必須量子化？

這場會議上提出的觀點可謂百家爭鳴。但費曼并不滿足于抽象的數學論證，在與會者越發深入的討論中，他選擇拋棄繁復的公式，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，費曼的構想仍被頻繁引用，已成為量子引力實驗設計的藍圖。

費曼的思想實驗

自上世紀六十年代量子引力的研究興起，數十年過去，理論物理學家已初步提出了多種復雜的量子引力理論，其中弦論和圈量子引力是廣受歡迎的兩個競爭者。前者假設基本粒子本質上是在看不見的空間維度中振動的弦，而后者認為時空結構由微小的圈環組成的網絡編織而成。然而，對于這些奇特而抽象的理論，物理學家并沒有找到任何確鑿的證據證明引力具有量子性質，甚至不確定應該如何尋找證據。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，而是希望通過實驗探究引力在本質上究竟是經典還是量子的。

回到1957年，當時物理學家還在探討引力是否必須具有量子性質，費曼已經從邏輯上判定引力不可能沒有量子性，并由此提出了一個能揭示引力量子本質的思想實驗。這個構想很簡單：選擇一個特定質量的物體，令它處于兩個位置的量子疊加態，再讓其與另一個大質量物體通過引力相互作用。當然，這個物體的質量既不能太大，因為會導致失去量子特性，也不能太小，否則引力會小到不足以造成影響，這之間的平衡點就是普朗克質量（約0.02毫克）。

費曼思想實驗的可視化。

圖片來源：原論文

這一思想實驗的妙處在于，如果引力真的具有量子特性，那么第一個處于位置疊加態的普朗克質量物體，其引力場也應該處于量子疊加態，當通過引力場與第二個普朗克質量物體相互作用時，這會導致第二個物體也處于量子疊加態，且二者會共同進入量子糾纏態。但倘若引力是經典的，二者間也不會產生糾纏。這意味著，僅通過二者之間是否能產生糾纏，就可以判斷引力是否具有量子性質。隨著技術進步，科學家也逐漸不滿足于停留在思想實驗的層面，開始從理論探討轉向實驗探測。

基于這張藍圖，一些物理學家想到，可以在真空中將微小的粒子置于位置疊加態，再觀測它能否僅通過引力讓附近的第二個粒子與之糾纏。但這個方案的挑戰在于，只有物體足夠重，才能產生可探測的引力，2021年我們的實驗技術只能探測到約90毫克重的物體產生的引力，根本無法實現大質量物體的疊加態。還有一些研究團隊想到，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，但這種方法用到的每一個步驟都極為復雜，可能需要幾十年的時間才能實現測試。

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

Nature

經典引力也能糾纏？

長期以來，物理學界堅信，經典媒介（比如引力）無法產生量子糾纏，這也是費曼思想實驗的基石。因此如果看到通過媒介產生了糾纏，也意味著媒介必然具有量子性。然而，這項新研究卻發現，這個邏輯可能存在一個致命的漏洞。

量子信息領域有一條定律，局域操作與經典通信（LOCC）。它描述的是，如果愛麗絲和鮑勃兩人手里各有一個粒子，他們用“只能傳輸0和1的經典電話線”聯系，那么無論他們怎樣合作，手里的兩個粒子都絕不可能憑空產生量子糾纏。如果兩人的粒子通過一條電話線產生了糾纏，那證明這條經典“電話線 ”本身就具有量子性。這構成了一個看上去完美的邏輯閉環。

圖片來源：《環球科學》2024年10月刊《量子時空：突破思想實驗？》

但這項研究指出，即使這條引力“電話線”完全是經典的，依然可以通過一種非線性的反饋機制，讓愛麗絲和鮑勃手中的粒子看上去像被糾纏起來。這是因為研究將參與引力相互作用的物質，從量子力學模型轉向了量子場論模型。在這種框架下，經典物質場中可能存在虛擬的傳播子（特定的反饋機制），在引力經典的情況下，使兩個粒子建立起類似糾纏的強關聯。由于這種“類糾纏”并非真正的量子糾纏，我們并不能說費曼錯了。但如果這項理論發現可靠，且真能實現基于費曼構想的實驗，那么觀測到的糾纏也可能不再是確定引力具有量子性的“試金石”。

這一結論很快引起了激烈的爭議。一些物理學家明確指出，新模型中的糾纏通過量子物質本身的場論機制實現，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，能夠產生經典但并非量子糾纏的效應。盡管爭議未有定論，但這項新研究似乎已經輕輕敲響警鐘：要證明引力量子化，仍需要不斷檢驗現有的理論，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

《環球科學》2024年10月刊《量子時空：突破思想實驗？》