【导语】自然界有引力、电磁力、弱力、强力四种基本相互作用，其中引力是否量子化、能否建立统一量子理论与广义相对论的“量子引力理论”尚无定论。新研究称即便观测到纠缠也未必是量子引力铁证，不过“经典引力 + 量子场论”产生的纠缠与量子引力理论预测有别，未来或能借此找到真正的“量子引力信号”。

引力、电磁力、弱力和强力，是自然界中已知的四种基本相互作用。它们在不同的尺(chǐ)度(dù)下(xià)各(gè)司(sī)其(qí)职(zhí)，共(gòng)同(tóng)支(zhī)配(pèi)着(zhe)宇(yǔ)宙(zhòu)万物的运行。

四种基本相互作用。（图：原理）

目前，描述引力最成功的理论是爱因斯坦的广义相对论。在这个理论中，引力并不是一种传统意义上的“力”，而是时空弯曲的结果。而另外三种相互作用——电磁力、弱力和强力——则完全遵循量子物理学。它们都已被证明是由离散的、也就是“量子化”的粒子交换所产生的。

这就引出了一个根本性的问题：引力是否也像其他三种相互作用一样，是量子化的？

换句话说，我们能否找到一个能够统一量子理论与广义相对论的“量子引力理论”呢？目前主流的量子引(yǐn)力(lì)候(hou)选(xuǎn)理(lǐ)论(lùn)包(bāo)括(kuò)弦(xián)理(lǐ)论(lùn)和(hé)圈(quān)量(liàng)子(zi)引(yǐn)力(lì)等(děng)，它(tā)们(men)都(dōu)假(jiǎ)设(shè)引(yǐn)力的本质是量子的，而非纯粹的经典场。

那么，我们究竟要如何检验引力的本质是否是量子的？

许多物理学家认为，答案就(jiù)隐(yǐn)藏在量子纠缠之中。当两(liǎng)个(gè)粒(lì)子(zi)发生纠缠时，它们会表现出强烈的相关性：测量其中一个粒子的状态，就能瞬间知道另一个粒子的测量结果——即使它们相隔非常遥远、没有任何物理接触。

这样的现象在经典物理中是不可能的。任何物理上合理的经典引力理论，都无法产生纠缠。更具体地说，经典引力只能通过所谓的“局域操作与经典通信”（LOCC）起作用：

“局域操作”意味着两个系统必须存在因果接触，才能相互影响；

“经典通信”则意味着只能传递经典信息，而不能传递量子信息。

然而，要产生纠缠，量子信息的传递是必不可少的。在量子引力的框架下，这种信息传递被认为是通(tōng)过(guò)虚(xū)引(yǐn)力(lì)子(zi)（graviton）交(jiāo)换实现的。

因此，如果实验发现两个仅通过引力相互作用的物体产生了纠缠，那将是一个震撼性的结果：它将表明——引力必须是量子化的。

如果两个粒子之间存在相关性，意味着存在某种“信息交换”的机制。在量子引力理论中，产生纠缠所需的信息传递，是由虚引力子交换完成的。虚引力子并不像真实粒子那样“存在”、无法直接观测到，只在相互作用的过程中作为中间态存在。（图：Nature）

然而，一篇新发表在《自然》杂志上的研究给出了一个出人意料的观点：即使观测到了纠缠，这也未必是量子引力的铁证。因为在某些条件下，经典引力理论也可能导致类似的纠缠效应。

其实在过去，就已经有一些研究质疑了局域操作与经典通信是否绝对成立。这些研究大多聚焦在“局域操作”的部分，尝试构建非局域的经典引力模型，让引力在没有直接接触的情况下也能影响远处的系统，从而引发纠缠。但这种设想与我们对自然界的基本理解相冲突，即所有已知的相互作用都是局域的。

因此，这项新研究将焦点转向了另一部分：“经典通信”。

以往那(nà)些(xiē)认(rèn)为(wèi)引(yǐn)力(lì)必(bì)须(xū)遵(zūn)循(xún)“局(jú)域操(cāo)作(zuò)与(yǔ)经(jīng)典(diǎn)通(tōng)信(xìn)”（LOCC）的(de)论(lùn)证(zhèng)，通(tōng)常(cháng)是(shì)建(jiàn)立(lì)在(zài)标(biāo)准(zhǔn)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)的(de)框(kuāng)架(jià)之(zhī)上(shàng)，在(zài)这(zhè)一(yī)框(kuāng)架(jià)中(zhōng)，物(wù)质(zhì)粒(lì)子(zi)是(shì)通(tōng)过(guò)波(bō)函数来描述的。但(dàn)在(zài)更(gèng)基(jī)本(běn)的(de)层(céng)面(miàn)上(shàng)，量(liàng)子(zi)场(chǎng)论(lùn)告(gào)诉(su)我(wǒ)们(men)：真(zhēn)正(zhèng)基(jī)本(běn)的(de)并(bìng)不(bù)是(shì)粒(lì)子(zi)，而(ér)是(shì)场(chǎng)。粒(lì)子(zi)只(zhǐ)是(shì)场(chǎng)的(de)量(liàng)子(zi)激(jī)发(fā)。

在(zài)新(xīn)的(de)研(yán)究(jiū)中(zhōng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)使(shǐ)用(yòng)了(le)量(liàng)子(zi)场(chǎng)论(lùn)的(de)完整框架进行分析。他们发现，当物质被视为量子场时，即便没有引力子的存在，这些物质场仍然可以通过交换虚物质粒子，在两个有质量的物体之间建立起一条量子通信通道，从而产生纠缠。而这种纠缠的强度，依然取决于引力场的强度。

当量子物质与经典引力场耦合时，两个有质量的物体之间会交换虚物质粒子。这种交换过程可能使它们进入纠缠态，说明即使通过经典引力相互作用，也可以间接地产生量子纠缠。（图：Nature）

研究人员进一步指出：虽然“经典引力 + 量子场论”也能导致纠缠，但其相关性的强度与质量、距离等参数的关系，与量子引力理论预测的有所不同。因此，通过精确设计实验参数，未来或许(xǔ)仍有机会找到真正的“量子引力信号”。

也许，我们距离揭示引力的量子本质还有很长的路要走，但每一次理论的推敲与实验的尝试，都让我们(men)离(lí)找(zhǎo)到(dào)统(tǒng)一(yī)自(zì)然(rán)界(jiè)所(suǒ)有(yǒu)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)的(de)终(zhōng)极(jí)理(lǐ)论(lùn)越来越近。

作者：陈佳君 科普作者

审核：金贻荣 北京量子信息研究院 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司