在日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上,物理学家们取得了一项令人振奋的发现。他们首次成功观察到两个夸克——最基本的亚原子粒子之一——处于量子纠缠状态。这种量子纠缠现象,是在迄今为止最高能量下首次被探测到。“最高能量”通常指的是在特定实验或观测条件下，粒子或辐射所能达到的最大能量水平。人类现在获取新粒子的方法，主要就是采用粒子碰撞的方案，也就是将粒子加速到接近光速后发生碰撞，根据爱因斯坦的质能方程，相同质量的物体，速度越快，其能量越大，粒子也是同理

这一发现不仅验证了量子力学的奇妙特性,也为未来进一步研究这一神秘现象开辟了新的可能性。通过对这种量子纠缠状态的深入探索,科学家们希望能够揭开宇宙最基本结构的更多谜团。

这一观测是在CERN的大型强子对撞机(LHC)上进行的,揭示了顶夸克——最重的基本粒子——与其反物质对应物在迄今为止最高能量的纠缠状态中量子连接。研究人员于9月18日在《自然》杂志上发表了他们的发现。

ATLAS实验(环形强子对撞机装置)是LHC上最大的探测器,它能够识别出粒子束以接近光速相互碰撞后产生的微小亚原子粒子。"虽然粒子物理学深深植根于量子力学,但在新的粒子系统中观察到量子纠缠,并且能量比以往可能的要高得多,这是非常了不起的,"ATLAS实验的发言人安德烈亚斯·霍克在电子邮件声明中说。

这一发现打开了一扇全新的研究大门。纠缠的粒子具有相互连接的属性,因此对其中一个的改变会瞬间导致另一个的改变,即使它们相隔很远的距离。这种"远距离的鬼魅作用"曾经被爱因斯坦所质疑,但后来的实验证明了这种奇异的、违反局域性效应确实是真实存在的。

量子纠缠现象是量子物理中最神奇的概念之一。1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EPR)提出了一个著名的悖论,质疑这种"鬼魅作用"是否真实存在。他们认为,如果两个粒子真的能够瞬间影响彼此,那就意味着存在超光速的信息传递,这违背了相对论的基本原理。然而,1964年,物理学家约翰·贝尔提出了一个著名的理论,也被称为贝尔不等式,证明了量子纠缠确实是真实存在的。此后的许多实验也进一步验证了这一理论。

量子纠缠在量子计算、量子通信等领域有着广泛的应用前景。例如,量子计算机就利用量子纠缠来进行高效的信息处理。而量子加密技术则利用光子的纠缠状态来实现安全通信。科学家们正在努力探索量子纠缠在各个领域的更多应用可能性。

然而,纠缠的许多方面仍然未被探索,夸克之间的纠缠就是其中之一。这是因为这些亚原子粒子不能单独存在,而是融合在一起形成各种被称为强子的粒子"配方"。当单个夸克从强子中被撕裂出来时,用于提取它们的能量使它们立即变得不稳定,并在称为强子化的过程中分解成较小粒子的分支喷射。

这意味着要观察顶夸克和反夸克的纠缠,科学家们必须从数十亿其他粒子中挑选出它们分解成的独特粒子。特别是,他们寻找了只有在纠缠粒子之间才会出现的特定角度发射的粒子。通过测量这些角度并校正可能改变它们的实验效应,团队观察到顶夸克之间的纠缠具有足够大的统计显著性,被认为是真实的。

这项发现让科学家们非常兴奋,因为它不仅证实了夸克也能进入量子纠缠状态,而且这种纠缠发生在前所未有的高能量水平上。这为进一步探索量子纠缠现象,以及推进粒子物理学的标准模型开辟了新的可能性。通过研究这种高能量下的量子纠缠,科学家们希望能够发现新的物理规律,甚至寻找到标准模型之外的新物理理论。

"通过在新的粒子系统中测量纠缠和其他量子概念,并在以前无法达到的能量范围内进行,我们可以以新的方式测试粒子物理学的标准模型,并寻找可能存在于其之外的新物理迹象,"CMS实验的发言人帕特里夏·麦克布赖德在声明中说。随着LHC的数据样本不断增加,科学家们将有机会进一步探索这一令人兴奋的发现,为我们揭示更多关于宇宙最基本结构的奥秘。