在頂級夸克中發(fā)現(xiàn)的量子糾纏 – 已知最重的粒子

物理學(xué)最令人驚訝的預(yù)測之一是糾纏，一種對象可能相距一定距離但仍鏈接在一起的現(xiàn)象。最著名的糾纏例子涉及小塊光（光子）和低能量。

在日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（世界上最大的粒子加速器）上，一個(gè)名為 ATLAS 的實(shí)驗(yàn)剛剛發(fā)現(xiàn)了成對的頂夸克的糾纏：這是科學(xué)上已知的最重的粒子。

結(jié)果在一篇新論文來自我和 ATLAS 合作的同事，今天發(fā)表在自然界.

什么是糾纏？

在日常生活中，我們認(rèn)為物體要么是“獨(dú)立的”，要么是“相連的”。相距一公里的兩個(gè)球是分開的。用一根繩子連接的兩個(gè)球連接起來。

當(dāng)兩個(gè)物體“糾纏”時(shí)，它們之間沒有物理聯(lián)系——但它們也不是真正分開的。您可以對第一個(gè)對象進(jìn)行測量，這足以知道第二個(gè)對象在做什么，甚至在您查看它之前。

這兩個(gè)對象形成一個(gè)系統(tǒng)，即使沒有任何東西將它們連接在一起。這已被證明適用于城市兩側(cè)的光子。

最近根據(jù)劉慈欣的科幻小說改編的流媒體系列 3 Body Problem 的粉絲會熟悉這個(gè)想法。

在節(jié)目中，外星人向地球發(fā)送了一臺微型超級計(jì)算機(jī)，以擾亂我們的技術(shù)并讓他們與我們交流。因?yàn)檫@個(gè)微小的物體與外星母星上的雙胞胎糾纏在一起，外星人可以與它交流并控制它——即使它相距四光年。

故事的這一部分是科幻小說：糾纏并不真正允許您以比光速更快的速度發(fā)送信號。（似乎糾纏應(yīng)該允許你這樣做，但根據(jù)量子物理學(xué)，這是不可能的。到目前為止，我們所有的實(shí)驗(yàn)都與該預(yù)測一致。

但糾纏本身是真實(shí)的。它是1980 年代首次演示光子，在當(dāng)時(shí)的一項(xiàng)前沿的實(shí)驗(yàn).

今天，您可以從商業(yè)提供商那里購買一個(gè)盒子，它會吐出糾纏的光子對。糾纏是量子物理學(xué)描述的特性之一，也是科學(xué)家和工程師試圖利用來創(chuàng)造新技術(shù)的特性之一，例如量子計(jì)算.

自 1980 年代以來，也觀察到原子、一些亞原子粒子，甚至與經(jīng)歷非常非常輕微振動的微小物體發(fā)生糾纏。這些例子都是在低能量下。

日內(nèi)瓦的新進(jìn)展是，在稱為頂夸克的粒子對中可以看到糾纏，其中在非常小的空間中存在大量的能量。

那么什么是夸克呢？

物質(zhì)是由分子組成的;分子由原子組成;原子由稱為電子的輕粒子組成，這些粒子圍繞中心的重原子核運(yùn)行，就像太陽系中心的太陽一樣。大約在 1911 年，我們已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中知道了這一點(diǎn)。

然后我們了解到原子核是由質(zhì)子和中子組成的，到 1970 年代，我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子是由更小的粒子組成的，稱為夸克。

夸克總共有六種類型：構(gòu)成質(zhì)子和中子的“上”夸克和“下”夸克，然后是四種較重的夸克。

第五個(gè)夸克，“美”夸克或“底”夸克，大約比質(zhì)子重四倍半，當(dāng)我們找到它時(shí)，我們認(rèn)為它非常重。但第六個(gè)也是最后一個(gè)夸克，即“頂”，是一個(gè)怪物：比鎢原子略重，質(zhì)量是質(zhì)子的 184 倍。

沒有人知道為什么頂夸克如此巨大.正是出于這個(gè)原因，頂夸克是大型強(qiáng)子對撞機(jī)深入研究的對象。（在我所在的悉尼，我們在 ATLAS 實(shí)驗(yàn)中的大部分工作都集中在頂夸克上。

我們認(rèn)為非常大的質(zhì)量可能是一個(gè)線索。也許頂夸克之所以如此巨大，是因?yàn)轫斂淇烁惺艿搅诵碌牧α浚隽宋覀円呀?jīng)知道的四種力量。或者它可能與 “新物理學(xué)” 有其他聯(lián)系。

我們知道，我們目前所理解的物理定律是不完整的。研究頂夸克的行為方式可能會為我們指明通往新事物的道路。

那么糾纏是否意味著頂夸克是特殊的呢？

可能不是。量子物理學(xué)說，糾纏很常見，各種各樣的事物都可以糾纏。

但糾纏也是脆弱的。

許多量子物理實(shí)驗(yàn)是在超低溫下進(jìn)行的，以避免“碰撞”系統(tǒng)并干擾它。因此，到目前為止，科學(xué)家可以在系統(tǒng)中證明糾纏，科學(xué)家可以在其中設(shè)置合適的條件進(jìn)行測量。

由于技術(shù)原因，頂夸克的質(zhì)量非常大，使其成為研究糾纏的良好實(shí)驗(yàn)室。（新的 ATLAS 測量對于其他五種類型的夸克是不可能的。

但是，頂夸克對不會成為一項(xiàng)方便的新技術(shù)的基礎(chǔ)：你不能拿起大型強(qiáng)子對撞機(jī)并隨身攜帶。

盡管如此，頂夸克確實(shí)提供了一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的新型工具，而糾纏本身就很有趣，因此我們將繼續(xù)尋找其他發(fā)現(xiàn)。

布魯斯·亞布斯利， 物理學(xué)副教授，悉尼大學(xué)

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