布鲁克海文国家实验室（图片来源：网络）

布鲁克海文国家实验室的科学家发现了一种全新的量子纠缠效应，即使宇宙距离相隔广阔，量子纠缠也会使粒子奇迹般地联系在一起。这一发现使他们能够捕捉到原子内部的奇特世界。

这项研究解决了一些关于原子核的长期谜团，也将有助于阐明从量子计算到天体物理学等课题的研究。

科学家们利用相对论重离子对撞机（RHIC）得到了令人兴奋的发现。相对论重离子对撞机是纽约布鲁克海文国家实验室的一台专门设施，可以将离子加速到接近光速。当这些离子碰撞时，或者只是彼此靠近时，它们的相互作用暴露了原子的内部奥秘，这些原子受量子力学的定律支配。

在微观世界里发生了各种奇怪的事情，其中量子纠缠尤甚，以至于爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行为”。当粒子相互作用时，即使它们相距数十亿光年，也会发生这种量子纠缠现象，导致它们的性质（如自旋或动量）同步。量子纠缠已经在实验室中被证明过无数次，但纠缠的粒子一直属于同种类型，具有相同的电荷，例如不带电的光子或带负电荷的电子。

现在，布鲁克海文的科学家有史以来第一次捕获了由两个具有不同电荷的粒子纠缠产生的干涉图案，这一突破为原子的神秘内部开辟了一扇全新的窗口，这些原子构成了宇宙中的可见物质。这项研究于1月4日发表在《科学进展》上。

俄亥俄州立大学物理学教授Daniel Brandenburg说：“过去从未对不同粒子之间的干涉进行过任何测量，我们可以利用这项发现来做一些与核物理相关的研究。当我们意识到这里发生了一些非常有趣的事情时，我们感受到非常大的惊喜。”

利用RHIC或STAR螺线管跟踪器的灵敏探测器，Brandenburg和他的同事们实现了这一里程碑，该探测器捕获了接近光速的金离子之间的相互作用。光子云是携带光的粒子，围绕离子并与另一种称为胶子的粒子相互作用，这些粒子将原子核聚在一起。

光子和胶子的相遇引发了一系列事件，最终产生了两个新粒子，称为介子，它们具有相反的电荷，一个带正电，一个带负电。当这些介子进入STAR探测器时，精密仪器测量了它们的一些关键特性，例如速度和撞击角度，然后用于探测原子核内胶子的大小，形状和排列，达到了从未有过的精度。

Brandenburg说：“这就像一个显微镜，用光子来观察物体，我们正在使用能量非常高的光子，它们的波长足够短，可以看到原子的内部。”

科学家们以前曾对低能量的原子核进行成像，但在高能量下探测这些结构总是产生令人费解的结果。根据模型，这些实验中的原子核看起来比实际的要大得多，这一结果几十年来一直困扰着科学家。

现在，STAR现在已经通过精确定位与实验中的光子相关的模糊效应来解决这个谜团。从本质上讲，过去的研究大致捕捉到了原子核的一维结构，这些没有解释光子中的核心模式，例如它们的偏振方向。这项新研究包括这种偏振信息，使Brandenburg和他的同事能够从平行和垂直于光子运动的两个角度探测原子核，产生与理论预测相匹配的二维视图。

更重要的是，该团队甚至能够辨认出原子核中关键粒子的粗略位置，例如质子和中子，以及胶子的分布。它还提供了一种新的方式来解开关于原子在高能量下的行为奥秘。

Brandenburg说：“当我们更深入地观察原子核内部时，原子核中能量占比少的部分对于原子核如何结合在一起非常重要。实际上，我们对原子核中高能量的那部分知之甚少。这就是更多更高精度的测量要努力探索的，探索原子核的核心在这些不同尺度上正在做什么。”

Brandenburg希望在RHIC和其他设施（如大型强子对撞机）中重复这种技术，以梳理出原子核内部长期隐藏的细节。

研究高能量原子可以帮助科学家解决一些最棘手的问题，包括量子世界如何与我们的现实世界共存的大谜团，这受经典物理学中更熟悉的规则支配。它还将应用于实际，特别是对于量子计算，该技术旨在利用量子世界的奇特规则彻底改变计算。

Brandenburg总结道：“通过观察不同的原子核，并更高精度地观察作用过程，我们开始了解越来越多的细节。我们现在所做的是理论证明，还将有更多的机会探索实际应用。”

编译：卉可

编辑：慕一