破天荒！首次發現質子內部的「詭異」量子糾纏現象

長久以來，物理學家一直懷疑質子的構成單元存在量子糾纏現象。如今，研究人員透過一項巧妙方法推斷次原子粒子的熵，取得了首個直接證據。

科學家深入探究質子內部，發現構成質子的基本單元夸克和膠子，存在量子糾纏現象。

糾纏粒子彼此相互連結，即便相隔遙遠距離，其中一個粒子的變化也會立即引發另一個粒子的改變。阿爾伯特·愛因斯坦曾戲稱此現象為「鬼魅般的超距作用」，但後續實驗證明，這種看似怪異、打破局域性的效應確實存在。

過去，物理學家曾觀察到夸克之間的糾纏，但從未找到證據證明它們在質子內部處於量子連結狀態。

如今，一組研究團隊發現，質子內部的夸克和膠子在十億億分之一米的距離記憶體在糾纏現象，使粒子能在質子內部共享資訊。研究人員於2024年12月2日在《物理進展報告》期刊上發表了這項研究成果。

研究共同作者、紐約厄普頓布魯克海文國家實驗室的物理學家塗周敦明在一份宣告中表示：「數十年來，我們一直以為質子只是夸克和膠子的集合，並專注於理解所謂的單粒子性質，包括夸克和膠子在質子內部的分佈方式。如今，有證據顯示夸克和膠子存在糾纏，這一觀點已然改變。質子其實是個更複雜、更具動態性的系統。」

量子糾纏的實驗證據最早出現在20世紀70年代，但這一現象的許多方面仍有待深入探索，其中就包括夸克之間的糾纏相互作用。這主要是因為次原子粒子不會單獨存在，而是會融合成各種稱為強子的粒子組合。例如，質子和中子等重子，就是由三個夸克透過攜帶強作用力的膠子緊密束縛在一起形成的。

當單個夸克從強子中被扯出時，用於提取它們的能量會使其變得不穩定，在一個稱為強子化的過程中轉變成分支的粒子噴流。這使得從數萬億個粒子衰變產物中篩選出其原始狀態的任務變得極為困難。

但研究人員正是做到了這一點。為了探究質子的內部運作機制，科學家們挖掘了大型強子對撞機（LHC）和強子 - 電子環形加速器（HERA）粒子對撞實驗收集到的資料。

接著，他們應用量子資訊科學中的一項原理，即系統的熵（衡量系統可以排列的能量狀態數量的指標，常被誤稱為「無序程度」）會隨著糾纏程度增加，導致粒子噴流的分佈顯得更為混亂。

透過將粒子噴流與其熵的計算結果進行對比，物理學家發現，碰撞質子內部的夸克和膠子處於最大糾纏狀態，彼此之間共享了最多的資訊。

塗周敦明在一封電子郵件中告訴《生活科學》：「熵通常與某些資訊的不確定性相關，而糾纏則導致兩個糾纏方之間的資訊『共享』。因此，在量子力學中，這兩者是相互關聯的。我們用預測的熵（假設存在糾纏）與資料進行對照，發現吻合度非常高。」

科學家表示，他們的發現有助於更深入瞭解基本粒子，例如夸克和膠子如何被限制在質子內部。這項研究也引發了更多問題，比如當質子被束縛在原子核內時，糾纏現象會如何改變。

塗周敦明稱：「由於原子核由質子和中子組成，自然會思考糾纏對原子核結構會有何影響。我們計劃使用電子 - 離子對撞機（EIC）來研究這個問題。這要在10年後才能實現。在此之前，某些碰撞型別，即重離子碰撞中所謂的超外周碰撞，可能也會有幫助。」