布魯克海文國家實驗室(圖片來源：網絡)

布魯克海文國家實驗室的科學家發現了一種全新的量子糾纏效應，即使宇宙距離相隔廣闊，量子糾纏也會使粒子奇跡般地聯系在一起。這一發現使他們能夠捕捉到原子內部的奇特世界。

這項研究解決了一些關于原子核的長期謎團，也將有助于闡明從量子計算到天體物理學等課題的研究。

科學家們利用相對論重離子對撞機(RHIC)得到了令人興奮的發現。相對論重離子對撞機是紐約布魯克海文國家實驗室的一臺專門設施，可以將離子加速到接近光速。當這些離子碰撞時，或者只是彼此靠近時，它們的相互作用暴露了原子的內部奧秘，這些原子受量子力學的定律支配。

在微觀世界里發生了各種奇怪的事情，其中量子糾纏尤甚，以至于愛因斯坦稱之為“遠距離的幽靈行為”。當粒子相互作用時，即使它們相距數十億光年，也會發生這種量子糾纏現象，導致它們的性質(如自旋或動量)同步。量子糾纏已經在實驗室中被證明過無數次，但糾纏的粒子一直屬于同種類型，具有相同的電荷，例如不帶電的光子或帶負電荷的電子。

現在，布魯克海文的科學家有史以來第一次捕獲了由兩個具有不同電荷的粒子糾纏產生的干涉圖案，這一突破為原子的神秘內部開辟了一扇全新的窗口，這些原子構成了宇宙中的可見物質。這項研究于1月4日發表在《科學進展》上。

俄亥俄州立大學物理學教授Daniel Brandenburg說：“過去從未對不同粒子之間的干涉進行過任何測量，我們可以利用這項發現來做一些與核物理相關的研究。當我們意識到這里發生了一些非常有趣的事情時，我們感受到非常大的驚喜。”

利用RHIC或STAR螺線管跟蹤器的靈敏探測器，Brandenburg和他的同事們實現了這一里程碑，該探測器捕獲了接近光速的金離子之間的相互作用。光子云是攜帶光的粒子，圍繞離子并與另一種稱為膠子的粒子相互作用，這些粒子將原子核聚在一起。

光子和膠子的相遇引發了一系列事件，最終產生了兩個新粒子，稱為介子，它們具有相反的電荷，一個帶正電，一個帶負電。當這些介子進入STAR探測器時，精密儀器測量了它們的一些關鍵特性，例如速度和撞擊角度，然后用于探測原子核內膠子的大小，形狀和排列，達到了從未有過的精度。

Brandenburg說：“這就像一個顯微鏡，用光子來觀察物體，我們正在使用能量非常高的光子，它們的波長足夠短，可以看到原子的內部。”

科學家們以前曾對低能量的原子核進行成像，但在高能量下探測這些結構總是產生令人費解的結果。根據模型，這些實驗中的原子核看起來比實際的要大得多，這一結果幾十年來一直困擾著科學家。

現在，STAR現在已經通過精確定位與實驗中的光子相關的模糊效應來解決這個謎團。從本質上講，過去的研究大致捕捉到了原子核的一維結構，這些沒有解釋光子中的核心模式，例如它們的偏振方向。這項新研究包括這種偏振信息，使Brandenburg和他的同事能夠從平行和垂直于光子運動的兩個角度探測原子核，產生與理論預測相匹配的二維視圖。

更重要的是，該團隊甚至能夠辨認出原子核中關鍵粒子的粗略位置，例如質子和中子，以及膠子的分布。它還提供了一種新的方式來解開關于原子在高能量下的行為奧秘。

Brandenburg說：“當我們更深入地觀察原子核內部時，原子核中能量占比少的部分對于原子核如何結合在一起非常重要。實際上，我們對原子核中高能量的那部分知之甚少。這就是更多更高精度的測量要努力探索的，探索原子核的核心在這些不同尺度上正在做什么。”

Brandenburg希望在RHIC和其他設施(如大型強子對撞機)中重復這種技術，以梳理出原子核內部長期隱藏的細節。

研究高能量原子可以幫助科學家解決一些最棘手的問題，包括量子世界如何與我們的現實世界共存的大謎團，這受經典物理學中更熟悉的規則支配。它還將應用于實際，特別是對于量子計算，該技術旨在利用量子世界的奇特規則徹底改變計算。

Brandenburg總結道：“通過觀察不同的原子核，并更高精度地觀察作用過程，我們開始了解越來越多的細節。我們現在所做的是理論證明，還將有更多的機會探索實際應用。”