正在建设中的 ATLAS 探测器。来源：CERN
物理学最令人惊讶的预测之一是纠缠，这是一种物体可能相距一定距离但仍联系在一起的现象。最著名的纠缠例子涉及小块光（光子）和低能量。
在日内瓦的大型强子对撞机（世界上最大的粒子加速器）上，一个名为 ATLAS 的实验刚刚发现了成对的顶夸克的纠缠：这是科学上已知的最重的粒子。
我和我在 ATLAS 合作中的同事今天发表在《自然》杂志上的一篇新论文中描述了这些结果。
什么是纠缠？在日常生活中，我们认为物体要么是“独立的”，要么是“相连的”。相距一公里的两个球是分开的。用一根绳子连接的两个球连接起来。
当两个物体“纠缠”时，它们之间没有物理联系——但它们也不是真正分开的。您可以对第一个对象进行测量，这足以知道第二个对象在做什么，甚至在您查看它之前。
这两个对象形成一个系统，即使没有任何东西将它们连接在一起。这已被证明适用于城市两侧的光子。
最近根据刘慈欣的科幻小说改编的流媒体系列 3 Body Problem 的粉丝会熟悉这个想法。在节目中，外星人向地球发送了一台微型超级计算机，以扰乱我们的技术并让他们与我们交流。因为这个微小的物体与外星母星上的双胞胎纠缠在一起，所以外星人可以与它交流并控制它——即使它相距四光年。
故事的这一部分是科幻小说：纠缠并不真正允许您以比光速更快的速度发送信号。（似乎纠缠应该允许你这样做，但根据量子物理学，这是不可能的。到目前为止，我们所有的实验都与该预测一致。
但纠缠本身是真实的。它于 1980 年代首次被证明用于光子，当时是一项尖端实验。
今天，您可以从商业提供商那里购买一个盒子，它会吐出纠缠的光子对。纠缠是量子物理学描述的特性之一，也是科学家和工程师试图利用来创造新技术（如量子计算）的特性之一。
自 1980 年代以来，也观察到原子、一些亚原子粒子，甚至与经历非常非常轻微振动的微小物体发生纠缠。这些例子都是在低能量下。
日内瓦的新发展是，在称为顶夸克的粒子对中可以看到纠缠，其中在非常小的空间中存在大量的能量。
那么什么是夸克呢？物质是由分子组成的;分子由原子组成;原子由称为电子的轻粒子组成，这些粒子围绕中心的重原子核运行，就像太阳系中心的太阳一样。大约在 1911 年，我们已经从实验中知道了这一点。
然后我们了解到原子核是由质子和中子组成的，到 1970 年代，我们发现质子和中子是由更小的粒子组成的，称为夸克。
夸克总共有六种类型：构成质子和中子的“上”夸克和“下”夸克，然后是四种较重的夸克。第五个夸克，“美”夸克或“底”夸克，大约比质子重四倍半，当我们找到它时，我们认为它非常重。但第六个也是最后一个夸克，即“顶”，是一个怪物：比钨原子略重，质量是质子的 184 倍。
没有人知道为什么顶夸克这么大。正是出于这个原因，顶夸克是大型强子对撞机深入研究的对象。（在我所在的悉尼，我们在 ATLAS 实验中的大部分工作都集中在顶夸克上。
我们认为非常大的质量可能是一个线索。也许顶夸克之所以如此巨大，是因为顶夸克感受到了新的力量，超出了我们已经知道的四种力量。或者它可能与“新物理学”有其他联系。
我们知道，我们目前所理解的物理定律是不完整的。研究顶夸克的行为方式可能会为我们指明通往新事物的道路。
那么纠缠是否意味着顶夸克是特殊的呢？可能不是。量子物理学说，纠缠很常见，各种各样的事物都可以纠缠。
但纠缠也是脆弱的。许多量子物理实验是在超低温下进行的，以避免“碰撞”系统并干扰它。因此，到目前为止，科学家可以在系统中证明纠缠，科学家可以在其中设置合适的条件进行测量。
由于技术原因，顶夸克的质量非常大，使其成为研究纠缠的良好实验室。（新的 ATLAS 测量对于其他五种类型的夸克是不可能的。
但是，顶夸克对不会成为一项方便的新技术的基础：你不能拿起大型强子对撞机并随身携带。尽管如此，顶夸克确实提供了一种进行实验的新型工具，而纠缠本身就很有趣，因此我们将继续寻找其他发现。
更多信息：等人，在 ATLAS 探测器上用顶夸克观察量子纠缠，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07824-z
期刊信息： Nature
