布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的量子糾纏效應(yīng)，即使宇宙距離相隔廣闊，量子糾纏也會(huì)使粒子奇跡般地聯(lián)系在一起。這一發(fā)現(xiàn)使他們能夠捕捉到原子內(nèi)部的奇特世界。

這項(xiàng)研究解決了一些關(guān)于原子核的長期謎團(tuán)，也將有助于闡明從量子計(jì)算到天體物理學(xué)等課題的研究。

科學(xué)家們利用相對論重離子對撞機(jī)（RHIC）得到了令人興奮的發(fā)現(xiàn)。相對論重離子對撞機(jī)是紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)專門設(shè)施，可以將離子加速到接近光速。當(dāng)這些離子碰撞時(shí)，或者只是彼此靠近時(shí)，它們的相互作用暴露了原子的內(nèi)部奧秘，這些原子受量子力學(xué)的定律支配。

在微觀世界里發(fā)生了各種奇怪的事情，其中量子糾纏尤甚，以至于愛因斯坦稱之為“遠(yuǎn)距離的幽靈行為”。當(dāng)粒子相互作用時(shí)，即使它們相距數(shù)十億光年，也會(huì)發(fā)生這種量子糾纏現(xiàn)象，導(dǎo)致它們的性質(zhì)（如自旋或動(dòng)量）同步。量子糾纏已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中被證明過無數(shù)次，但糾纏的粒子一直屬于同種類型，具有相同的電荷，例如不帶電的光子或帶負(fù)電荷的電子。

現(xiàn)在，布魯克海文的科學(xué)家有史以來第一次捕獲了由兩個(gè)具有不同電荷的粒子糾纏產(chǎn)生的干涉圖案，這一突破為原子的神秘內(nèi)部開辟了一扇全新的窗口，這些原子構(gòu)成了宇宙中的可見物質(zhì)。這項(xiàng)研究于1月4日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)教授Daniel Brandenburg說：“過去從未對不同粒子之間的干涉進(jìn)行過任何測量，我們可以利用這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)來做一些與核物理相關(guān)的研究。當(dāng)我們意識(shí)到這里發(fā)生了一些非常有趣的事情時(shí)，我們感受到非常大的驚喜?！?/p>

利用RHIC或STAR螺線管跟蹤器的靈敏探測器，Brandenburg和他的同事們實(shí)現(xiàn)了這一里程碑，該探測器捕獲了接近光速的金離子之間的相互作用。光子云是攜帶光的粒子，圍繞離子并與另一種稱為膠子的粒子相互作用，這些粒子將原子核聚在一起。

光子和膠子的相遇引發(fā)了一系列事件，最終產(chǎn)生了兩個(gè)新粒子，稱為介子，它們具有相反的電荷，一個(gè)帶正電，一個(gè)帶負(fù)電。當(dāng)這些介子進(jìn)入STAR探測器時(shí)，精密儀器測量了它們的一些關(guān)鍵特性，例如速度和撞擊角度，然后用于探測原子核內(nèi)膠子的大小，形狀和排列，達(dá)到了從未有過的精度。

Brandenburg說：“這就像一個(gè)顯微鏡，用光子來觀察物體，我們正在使用能量非常高的光子，它們的波長足夠短，可以看到原子的內(nèi)部?！?/p>

科學(xué)家們以前曾對低能量的原子核進(jìn)行成像，但在高能量下探測這些結(jié)構(gòu)總是產(chǎn)生令人費(fèi)解的結(jié)果。根據(jù)模型，這些實(shí)驗(yàn)中的原子核看起來比實(shí)際的要大得多，這一結(jié)果幾十年來一直困擾著科學(xué)家。

現(xiàn)在，STAR現(xiàn)在已經(jīng)通過精確定位與實(shí)驗(yàn)中的光子相關(guān)的模糊效應(yīng)來解決這個(gè)謎團(tuán)。從本質(zhì)上講，過去的研究大致捕捉到了原子核的一維結(jié)構(gòu)，這些沒有解釋光子中的核心模式，例如它們的偏振方向。這項(xiàng)新研究包括這種偏振信息，使Brandenburg和他的同事能夠從平行和垂直于光子運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)角度探測原子核，產(chǎn)生與理論預(yù)測相匹配的二維視圖。

更重要的是，該團(tuán)隊(duì)甚至能夠辨認(rèn)出原子核中關(guān)鍵粒子的粗略位置，例如質(zhì)子和中子，以及膠子的分布。它還提供了一種新的方式來解開關(guān)于原子在高能量下的行為奧秘。

Brandenburg說：“當(dāng)我們更深入地觀察原子核內(nèi)部時(shí)，原子核中能量占比少的部分對于原子核如何結(jié)合在一起非常重要。實(shí)際上，我們對原子核中高能量的那部分知之甚少。這就是更多更高精度的測量要努力探索的，探索原子核的核心在這些不同尺度上正在做什么?！?/p>

Brandenburg希望在RHIC和其他設(shè)施（如大型強(qiáng)子對撞機(jī)）中重復(fù)這種技術(shù)，以梳理出原子核內(nèi)部長期隱藏的細(xì)節(jié)。

研究高能量原子可以幫助科學(xué)家解決一些最棘手的問題，包括量子世界如何與我們的現(xiàn)實(shí)世界共存的大謎團(tuán)，這受經(jīng)典物理學(xué)中更熟悉的規(guī)則支配。它還將應(yīng)用于實(shí)際，特別是對于量子計(jì)算，該技術(shù)旨在利用量子世界的奇特規(guī)則徹底改變計(jì)算。

Brandenburg總結(jié)道：“通過觀察不同的原子核，并更高精度地觀察作用過程，我們開始了解越來越多的細(xì)節(jié)。我們現(xiàn)在所做的是理論證明，還將有更多的機(jī)會(huì)探索實(shí)際應(yīng)用?！?/p>

編譯：卉可

編輯：慕一