越研究越神秘：引力的本质可能远比人们想象的复杂

经典引力也可建立量子纠缠？

广义相对论认为，质量会使时空弯曲。那么量子力学该如何解释这一现象？

NASA

新研究表明，即使引力不可量子化，也可以建立物质间的量子纠缠。

来自伦敦大学皇家霍洛威学院（Royal Holloway, University of London）的两位物理学家Joseph Aziz和Richard Howl的研究结果，向人们对量子场和经典引力运作方式的看法发起了挑战。

寻找量子引力可能是物理学的下一个巨大飞跃。在物理学中，目前由量子力学解释微观世界，广义相对论描述宏观宇宙。但人们一直在寻找一种能够将这二者统一起来的方法。

两大理论都起源于二十世纪初，但100年过去了，科学家仍未找到将它们统一的办法。它们目前依然是矛盾的。而这两位学者的结论让这一难题变得更加错综复杂。

研究是在1957年著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提出的一个思想实验基础上进行的。

费曼提出，如果一个具有质量的物体（例如一个苹果）能够进入量子叠加态，那么它所产生的引力场是否也能进入叠加态？

叠加态是量子力学中物体属性——比如位置、动量、电荷或自旋方向——的一种特殊状态。在量子力学里，这些属性是多个可能性的一种组合，其概率是用波函数来描述的。叠加态物体一经观测，波函数就会坍缩，各种属性便从模糊的概率，转变成了明确结果。

在费曼的设想中，处于叠加态的苹果，在被观测前其位置是不确定的，同时有两种可能。此时如果有第二个苹果，与前者发生了引力的相互作用。那么如果第一个苹果的位置处于叠加态，其引力场是否也处于叠加态？

若引力场无法处于叠加态，那么它会与叠加态的苹果发生耦合，并导致苹果的量子态发生退相干，从而破坏叠加态。

费曼据此得出推论，如果引力不能量子化，那么物体就不能处于叠加态。但我们知道物体可以进入叠加态，所以引力必须是量子的。

这一逻辑构成了现代通过量子纠缠检测量子引力的核心思路。

但新研究对这此发起了挑战，认为经典引力也可以建立量子纠缠。

所谓量子纠缠是量子力学中两个或多个物体之间的一种强相关性。它们以某种方式相互作用后，即使被分隔到宇宙两端，对其中一个物体的测量也会瞬间影响到另一个的状态。这种关联源于它们共享同一个量子态，被视为是量子世界最反直觉的特性之一。

量子纠缠通常被视为一种纯粹的量子现象。因此如果要通过引力建立这种关系，引力本身必须处于叠加态，而这表明引力必须是量子的。

但新研究结论认为，至少在数学上，情况并非如此。

相对论将引力描述为时空的曲率。但是在量子力学里，基本作用力都可以分割为一份份的“能量子”。比如电磁力可以分解为光子。如果引力确实是量子的，那也必须是可分的，比如可以被分解为一份份的“引力子（graviton）”。但是从未有人发现过引力子。虽然这通常被解释为，单个引力子与传感器发生作用的概率极低。

两位学者证明，量子场中的虚粒子过程也可以建立纠缠，而使引力场本身保持经典。虚粒子并不是真实存在的粒子，而是量子场论计算中出现的数学要素。也就是说，经典引力场也能够使这两个物体建立纠缠。

换而言之，引力的相互作用可能是一种更为整体的现象，而并非只是基于微观世界的力量传递方式。这其中可能涉及，也可能不涉及某种尚未发现的量子过程。假如引力确实是可以量子化的，这一发现仍然意味着经典引力行为中隐藏着某种未知的新特性。

不过研究结果显示，经典引力建立的纠缠，其强度要远弱于理论上量子引力建立的纠缠。并因此引起了一些学术争议。研究人员表示，他们的研究并未排除量子引力存在的可能。

纠缠的强度是由粒子或物体间的关联性体现的。假设有一个量子的自旋为“上”，另一个量子自旋为“下”。如果两个量子处于强纠缠态，那么当我们知道一个粒子是“上”，无需测量就能确定另一个必然是“下”。

而在由经典引力建立的纠缠关系中，这种关联性会弱很多。它更接近概率。如果我们测量另一个粒子的自旋，那么其为“下”的概率会不如量子引力建立的那么高。

该研究还只停留在纯理论的层面上。现实中是否也是这样不得而知，要验证也非常困难。不过研究人员乐观地表示，未来几十年内，费曼的实验终将能够实施，并为量子引力是否真实存在提供检验。

参考

Classical theories of gravity produce entanglement

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09595-7