作為量子力學(xué)中最具代表性的反直覺(jué)現象，我們對“量子糾纏”這個(gè)詞已經(jīng)不陌生了。如今，許多科學(xué)家正在尋求糾纏的應用，比如創(chuàng )造出更強大的通信工具和量子計算機。但迄今為止，對糾纏的大多數觀(guān)測，都是在光子或者相同電子之間發(fā)生的。
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近日，布魯克海文國家實(shí)驗室相對論重離子對撞機（RHIC）的研究團隊進(jìn)行了一項特別的實(shí)驗，首次觀(guān)測到了不同粒子之間的量子糾纏。與此同時(shí)，他們還將它作為一種新的方法加以使用，能夠以驚人的精度觀(guān)察原子核內部的形狀和細節。研究已于近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
光子與膠子的相互作用
RHIC是用于研究物質(zhì)基本性質(zhì)的一項有力工具。物理學(xué)家可以在這里研究核物質(zhì)的最內部基本構成，也就是構成質(zhì)子和中子的夸克，以及把夸克綁在一起的膠子（原子核內強力的載力粒子）。
RHIC上的STAR探測器，就像一臺碩大無(wú)比的3D數碼相機，追蹤從探測器中心的粒子對撞中出現的粒子。（圖／STAR）
物理學(xué)家會(huì )讓一些重原子（比如黃金）的原子核在對撞機中以接近光速的速度沿相反方向運動(dòng)。當核子（或者說(shuō)離子）之間相互碰撞時(shí)，可以“熔化”質(zhì)子和中子之間的邊界，讓夸克和膠子就像是存在于質(zhì)子和中子形成之前的宇宙早期時(shí)那樣，使科學(xué)家能對這樣的夸克和膠子進(jìn)行研究，
不過(guò)，為了能更進(jìn)一步地了解將這些基本構件牢牢綁定在一起的基本力，核物理學(xué)家也想知道夸克和膠子在原子核內（就像它們現在的存在狀態(tài)那樣）會(huì )有怎樣的行為。
最近，RHIC的科學(xué)家發(fā)現了一種新的方法來(lái)研究原子核的內部細節。這種方法依賴(lài)于當金離子在對撞機里加速時(shí)圍繞在它們身邊的光子，以及一種從未見(jiàn)過(guò)的新型量子糾纏。
這些光子是偏振的，它們的電場(chǎng)從離子的中心向外輻射。如果兩個(gè)金離子非常近地擦身而過(guò)，但不發(fā)生對撞，那么圍繞一個(gè)離子的光子就可以探測另一個(gè)離子的內部結構。
這是因為，一個(gè)金離子周?chē)墓庾?，?huì )和另一個(gè)金離子內部的膠子發(fā)生相互作用。通過(guò)一系列量子漲落，光子與膠子的相互作用產(chǎn)生了一種短壽命的中間粒子，被稱(chēng)為ρ介子（ρ?）。ρ介子會(huì )迅速衰變成一對帶不同電荷的π介子（π?和π?）。物理學(xué)家可以通過(guò)這兩個(gè)π介子的動(dòng)量之和，得出ρ的動(dòng)量，以及膠子分布和光子模糊效應等信息。
為了提取出膠子分布的信息，科學(xué)家需要測量π?或π?的路徑與ρ的軌跡之間的角度。這一角度越接近90°，光子探針產(chǎn)生的模糊就越小。通過(guò)追蹤由以一系列角度和能量運動(dòng)的ρ介子產(chǎn)生的π介子，就可以繪制出整個(gè)原子核的膠子分布。
科學(xué)家使用STAR探測器，通過(guò)追蹤正（藍色）和負（紅色）的π介子對，來(lái)研究膠子的分布。這些π介子對來(lái)自ρ介子（紫色）的衰變。π介子和ρ介子的軌跡之間的角度（Φ）越接近90度，對膠子分布的觀(guān)測就越清晰。研究證明，被測量的π?或π?粒子經(jīng)歷了一種新型的量子糾纏。（圖／STAR）
同時(shí)，在新分析的數據中，研究人員觀(guān)測到了π?和π?之間的量子干涉。這是一種全新的量子糾纏現象，它能使科學(xué)家非常精確地測量光子的偏振方向。正是這種奇異的現象，證明了撞擊STAR探測器的π?和π?粒子，是由這兩個(gè)不同的帶相反電荷的粒子糾纏產(chǎn)生的干涉模式引起的。
別忘了，我們談?wù)摰乃辛Ｗ硬粌H作為物理對象存在，也作為波存在。就像池塘表面的漣漪在撞擊巖石時(shí)向外輻射一樣，描述粒子波峰和波谷的數學(xué)“波函數”可以相互干涉，來(lái)加強或者抵消彼此的作用。
當圍繞著(zhù)兩個(gè)接近的高速離子的光子，與原子核內的膠子相互作用時(shí)，就好像這些相互作用實(shí)際上產(chǎn)生了兩個(gè)ρ介子，每個(gè)原子核中有一個(gè)。當每個(gè)ρ介子衰變?yōu)棣?和π?時(shí)，來(lái)自?xún)蓚€(gè)ρ衰變的π?的波函數就會(huì )發(fā)生干涉。當加強的波函數撞擊到STAR探測器時(shí)，探測器就看到一個(gè)π?的波函數（也就是粒子）。同樣的事情發(fā)生在兩個(gè)π?的波函數上。
干涉發(fā)生在相同粒子的兩個(gè)波函數之間，但如果沒(méi)有兩個(gè)不同的粒子（π?和π?）之間的糾纏，這種干涉就不會(huì )實(shí)現。
實(shí)現二維成像
讓研究人員能非常精確地測量光子的偏振方向。這反過(guò)來(lái)又讓他們沿著(zhù)光子的運動(dòng)方向和垂直于它的方向觀(guān)察膠子的分布，也就是二維成像。
這種二維成像被證明非常重要。過(guò)去所有的測量，在不清楚偏振方向的情況下，所測得的膠子密度都是一個(gè)平均值，是與原子核中心距離的函數。那是一種一維的圖像。它會(huì )導致圖片被這些光子效應扭曲。當與理論模型和核內電荷分布的測量結果相比，這些測量結果都讓原子核看上去太大了。但橫向的測量可以避免光子模糊。
現在，物理學(xué)家就可以拍攝一張照片，真正區分在某個(gè)特定的角度和半徑的膠子密度。圖像可以變得相當精確，甚至可以開(kāi)始看到質(zhì)子和中子在這些大核之內的布局之間的差異。
這項技術(shù)就好像醫生使用正電子發(fā)射體層成像（PET）來(lái)觀(guān)察腦和其他身體部位的情況，但在這里，卻是在飛米尺度上繪制特征。定性來(lái)講，新的圖片與使用膠子分布的理論預測，以及對核內電荷分布的測量吻合。
研究人員相信，未來(lái)在RHIC上使用更重的粒子和不同的壽命進(jìn)行的測量，以及布魯克海文正在建造的電子-離子對撞機（EIC），將有機會(huì )進(jìn)一步探測核內膠子的更詳細分布，并測試其他可能的量子干涉。
