在日常生活里，你或许有过这样奇妙的经历：和亲密的朋友或家人，即便相隔甚远，却能在同一时刻想到同一件事，或者对同一件事有极其相似的反应，就好像有一种无形的“心灵感应”在连接着彼此。而在微观的量子世界中，也存在着一种类似却更为神奇的现象，那就是“量子纠缠”。它就像是一根超越距离限制的幽灵般的线，将粒子紧密相连。最近，物理学家们在探索质子内部奥秘时，发现了这种“幽灵般的超距作用”的踪迹，这一发现如同在平静湖面投入巨石，激起层层波澜，彻底改写了我们对质子结构的认知。
在微观世界的探索中，质子内部的奥秘一直是物理学家们关注的焦点，质子由两个“上”夸克和一个“下”夸克组成。每个“上”夸克的电荷为+2/3，“下”夸克的电荷为-1/3，使得质子总的电荷为+1。
夸克之间通过强核力紧密地结合在一起，传递强核力的粒子是胶子。胶子不仅将夸克束缚在一起形成质子，还在质子内部不断地发生着吸收瞬间峰值能量，碎裂为一个夸克和一个反夸克，然后它们湮灭并消失的过程，使得质子内部存在着大量不断产生和消失的夸克和反夸克，仿佛是一片“海洋”。
除了上夸克、下夸克和胶子外，质子内部还可能存在奇异夸克和粲夸克等重夸克，不过它们出现的概率较小，但对理解质子的内部结构和性质意义重大。
质子内部也是一个极为复杂且特殊的空间环境。美国托马斯·杰斐逊国家加速器研究所的科学家通过实验发现，质子内部类似于高压锅环境。其外围存在着一股较微弱、范围较大、方向朝内的压力，而在质子的中心处，夸克承受着高达10³⁵帕斯卡的压力，是地球大气压的10³⁰倍。在这个空间内，夸克和胶子等粒子在极小的尺度下相互作用、运动，不断地进行着能量和信息的交换。
此次发现的质子内部量子纠缠，是发生在质子内部的夸克和胶子之间。在量子力学中，量子纠缠是一种特殊现象，处于纠缠态的粒子，无论相隔多远，对其中一个粒子的测量会瞬间影响另一个粒子的状态。
科学家们通过挖掘大型强子对撞机（LHC）和强子 - 电子环形加速器（HERA）粒子对撞实验收集的数据，应用量子信息科学原理。将粒子喷流视为量子系统，使用“量子缠结”度量来量化质子内夸克和胶子之间的纠缠程度。通过将粒子喷流与其熵的计算结果进行比较，发现质子内部的夸克和胶子在万亿分之一米的距离上存在量子纠缠，并且处于“最大纠缠态”。这意味着质子内的夸克和胶子能够以最大效率共享信息，就好像它们组成了一个紧密协作的团队，即使在空间上有一定距离，也能瞬间协调行动。
长期以来，物理学家一直怀疑质子的组成部分之间存在着一种神秘的联系——量子纠缠。如今，这个猜想终于得到了证实。研究人员首次获取了质子内部存在“幽灵般的超距作用”的直接证据。量子纠缠是一种神奇的量子力学现象，就好比一对有着超能力的双胞胎，无论相隔千山万水，对其中一个的影响会瞬间传递给另一个。比如，当我们对处于纠缠态的一个粒子进行测量，改变它的状态，与之纠缠的另一个粒子会立刻发生相应变化，仿佛它们之间有着超越光速的秘密通信手段。爱因斯坦对这种现象深感不安，称其为“幽灵般的超距作用”，因为它似乎违背了狭义相对论中信息传播速度不能超过光速的规则。但尽管如此，量子纠缠已在众多实验中被证实真实存在。
此次科学家通过挖掘大型强子对撞机（LHC）和已退役的强子 - 电子环形加速器（HERA）粒子对撞实验收集的数据，发现质子内部确实存在量子纠缠。这一发现于2024年12月2日发表在《物理学进展报告》杂志上，让我们对质子这个原子核的重要组成部分，有了全新的认识。要知道，质子由被胶子束缚在一起的夸克构成，而现在我们知晓，它们之间不仅有强相互作用，还通过量子纠缠紧密相连。
那么，科学家们是如何发现这一微观世界的奇妙现象的呢？首先，夸克作为构成质子和中子的基本粒子，十分“调皮”，永远不会单独现身。当试图从强子（如质子）中分离出一个夸克时，需要投入大量能量，结果并不会得到孤立的夸克，反而会“蹦”出大量新粒子，这些粒子以“粒子喷流”的形式，像喷泉喷发的水柱一样，从碰撞点向外辐射。从这些粒子喷流中，研究人员能推断出碰撞前夸克的一些属性，比如它的动量。但这可不是一件容易的事，就像是在一堆杂乱无章的拼图碎片中，找出特定的那几片，还原出原本的图案。因为强子化过程——也就是夸克变成粒子喷流的过程，产生的粒子会不断衰变成更多粒子，使得从大量的衰变产物中还原夸克的原始状态难上加难。
为解决这个难题，研究团队另辟蹊径。他们应用量子信息科学的原理，这一相对较新的领域，利用量子力学的特性进行计算、通信和密码学研究。研究小组把粒子喷流当作一个有着独特规则的“微观游戏系统”，使用一种称为“量子缠结”的度量来量化质子内夸克和胶子之间的纠缠程度。打个比方，量子缠结就像是衡量两个微观“小世界”之间联系紧密程度的一把特殊尺子。如果这两个“小世界”里的粒子状态紧密相关，就像两个配合默契的舞者，一个动作变化，另一个立刻相应改变，那么量子缠结的度量值就会显示它们之间有很强的关联。
研究人员把计算结果和从LHC和HERA实验得到的数据进行对比，惊喜地发现质子内部的夸克和胶子在万亿分之一米的距离上存在量子纠缠，而且处于“最大纠缠态”，就像两个配合得天衣无缝的伙伴，能以最高效率共享信息。这一发现意义非凡，它不仅改变了我们对质子的认知，还对理解基本粒子和原子核的结构产生深远影响。例如，它能帮助我们解释夸克和胶子为何被限制在质子内部，为何不能被单独分离出来。这一发现也为未来研究打开了新大门，同时提出了新问题，比如当质子处于原子核中时，量子纠缠如何影响原子核的结构。研究人员计划在未来10年利用正在美国布鲁克海文国家实验室建造的电子 - 离子对撞机（EIC）来深入研究这一问题。在此之前，重离子碰撞中的超外围碰撞（一种特殊的碰撞，离子几乎不相互作用，但电磁场会相互作用）或许能为我们揭开更多质子内部量子纠缠的神秘面纱。
