摘要：将量子力学和广义相对论统一起来，无疑是当代科学面临的最深刻挑战。几十年来，这一探索的核心是一个看似直接的实验原则：如果我们能够仅仅通过引力相互作用观察到两个大质量物体发生量子纠缠，那就构成了明确的证据，证明引力本身是一种量子力。这个基于理查德·费曼在 1957

将量子力学和广义相对论统一起来，无疑是当代科学面临的最深刻挑战。几十年来，这一探索的核心是一个看似直接的实验原则：如果我们能够仅仅通过引力相互作用观察到两个大质量物体发生量子纠缠，那就构成了明确的证据，证明引力本身是一种量子力。这个基于理查德·费曼在 1957 年提出的思想实验的开创性想法，激发了无数旨在探测量子时空本质的实验方案。

然而，近期由 Joseph Aziz 和 Richard Howl 撰写的发表在《自然》具有突破性的理论工作《经典引力理论产生纠缠》（Classical theories of gravity produce entanglement）威胁要颠覆整个解释框架。该论文提出了一个惊人的结论：即使是严格保持经典性质的引力理论，只要与描述物质的完整量子场论（QFT）耦合，仍然可以产生量子纠缠。这一范式转变并没有使寻找量子引力的努力失效，但它极大地复杂化了对当前和未来实验结果的解读，迫迫使物理学家去寻找更精妙、更明确的引力量子性的特征。

使用纠缠作为量子引力标志的传统论点，建立在量子信息论的一个基本定理之上：局部操作和经典通信（LOCC）不能产生纠缠。

经典相互作用：像经典广义相对论中的引力场这样的纯经典场，被认为是一种 LOCC 信道。它只能传递经典信息（如位置和动量），并对量子系统执行局部操作，例如施加相位或力。

检验：考虑两个小的、大质量的测试物体，每个都准备在一个两种不同位置的叠加态中。如果将这两个物体屏蔽所有其他力（电磁力、弱核力和强核力），只允许它们通过引力相互作用，那么它们随后的状态将提供关键信息。

结论（Aziz/Howl 之前）：如果这两个处于叠加态的质量随后变得纠缠——意味着它们的量子状态不可分割地联系在一起——那么介导信道必然能够传递量子信息。由于唯一的信道是引力，而经典场不能传递量子信息，因此结论是：引力必然是量子的。

正是这一结论推动了实验界努力，例如 Bose、Marletto 等人提出的方案，旨在挑战量子技术的极限，将越来越重的物体置于宏观空间叠加态。

Aziz 和 Howl 的论文仔细重新审视了在混合量子-经典模型背景下引力相互作用的理论基础——这是将经典引力耦合到量子物质的最保守方式。至关重要的是，他们的分析并没有将引力相互作用视为一个简单的、瞬时的势，而是将物质场的描述扩展到了量子场论（QFT）的完整框架。

这里的关键见解是，在这种混合框架中纠缠的产生源于物质场的量子性质，而不是引力场本身。

虚拟粒子交换：在QFT中，两个大质量物体（比如两个质子或两个测试质量）之间的相互作用是通过对应于基本力的虚拟粒子介导的。对于电磁力是虚拟光子；对于引力（在量子引力中）是虚拟引力子，或者在经典描述中只是引力势。

耦合机制：论文表明，即使将引力场视为非量子化的经典背景场，它与量子物质场（由 QFT 描述）的耦合也允许量子相关性的传输。与引力相互作用相关的虚拟量子物质的交换可以有效地传输量子信息并产生纠缠。

非局域性：此外，该论文也间接指出，许多试图维持经典时空结构但纳入量子物质的混合引力模型，往往存在非局域性或“超光速信号传递”的问题——这些性质违反了严格的 LOCC 要求，因此可以产生纠缠。

这个结果意义深远：在引力实验中产生的纠缠可能源于在经典引力背景下运动的物质的量子特性，而不是源于一个量子化的引力场。

经典引力与量子物质耦合可以产生纠缠的发现，并没有使寻找量子引力的实验变得毫无意义；相反，它使这项任务变得更加微妙。它将目标从仅仅探测到纠缠转移到 描述纠缠的性质。

1.区分标度律：Aziz 和 Howl 提出，经典-量子混合模型产生的纠缠效应，与纯量子引力理论预测的标度律（scaling）不同。未来实验的一个关键重点将是：

测量纠缠量 (ε) 随实验参数（例如物体质量 (M) 和相互作用时间 (Δt)）的变化情况。

将观察到的标度律 (ε∝f(M, Δt)) 与混合理论和完整量子引力理论的独特预测进行比较。

2.寻找独特的签名：物理学家现在必须转向识别只有真正的量子引力场才能产生的现象。这些独特的签名可能涉及：

时空的量子叠加：寻找时空本身处于叠加态的证据，这是量子引力的标志，而不仅仅是经典时空中的量子物质。

修正的退相干：观察引力场如何以量子时空波动的独特方式影响物质叠加态的退相干（量子性丢失）。

总之，《经典引力理论产生纠缠》是一项至关重要的理论贡献，它为实验物理学提供了一个关键的警示。它迫使人们放弃对费曼检验的简单、清晰的解释。量子引力的真正铁证不再仅仅是纠缠的存在，而是在引力相互作用的动力学、标度或现象学中更深层次、更微妙的签名。统一物理学的目标仍然存在，但实现这一目标的路径已经变得更加复杂且更具智慧挑战性。

来源：科学大厦汇