重大突破！新研究有望捕捉神秘引力子

史蒂文斯大學的伊戈爾·皮科夫斯基（Igor Pikovski）教授領導的一個團隊剛剛概述瞭如何探測單個引力子，引力子被認爲是引力的量子組成部分——他們認爲，在不久的將來，藉助量子技術實現該實驗應該是可能的。

“這是一個長期以來被認爲不可能的基礎實驗，但我們認爲我們已經找到了一種方法來實現它，”同時隸屬於斯德哥爾摩大學的史蒂文斯大學物理學教授伊戈爾·皮科夫斯基（Igor Pikovski）說。

皮科夫斯基領導了一個由一年級研究生熱爾曼·託巴爾（Germain Tobar）、托馬斯·貝特爾（Thomas Beitel）和博士後研究員斯里納特·馬尼坎丹（Sreenath Manikandan）組成的團隊。他們關於“用量子傳感探測單個引力子”的研究結果已在《自然通訊》上發表。

引力就是這麼發揮作用的。物體下落，行星彼此環繞。一百多年前，愛因斯坦通過將引力解釋爲時空的變化，徹底改變了我們對於引力的理解。引力的許多以前無法想象的效應現在都得到了證實：時間膨脹、引力波或黑洞。

但引力還有其他特別的地方：到目前爲止，我們只看到了它的“經典”版本，而其他所有的力都能夠用量子理論來解釋。長期以來，物理學的聖盃之一就是將引力與量子力學聯繫起來，但這個問題仍未解決。在任何引力的量子理論中，我們都期望出現某些單個不可分割的粒子。

物理學家把這些難以捉摸的粒子命名爲引力子——可以將它們想象成引力的組成部分，就如同原子是物質的組成部分那樣。理論上，從黑洞碰撞等巨大宇宙事件中頻繁穿過地球的引力波是由大量的這些引力子組成的。

像 LIGO 這樣令人印象深刻的大型探測器現在可以證實這種引力波的存在。然而，引力子在歷史上從未被探測到；甚至探測到一個引力子的想法長期以來都被認爲是不可能的。

然而，這可能剛剛發生了變化。

皮科夫斯基的團隊提出了一個解決方案，該方案是將現有的物理檢測技術——一種叫做聲學諧振器的東西，其實就是一個沉重的圓柱體——進行耦合，並給它配備改進的能量狀態檢測方法（也稱作量子傳感）。

“我們的解決方案跟導致愛因斯坦提出光的量子理論的光電效應類似，”皮科夫斯基解釋道，“只不過是用引力波取代了電磁波。關鍵在於物質和波之間的能量交換僅僅是以離散的步驟來進行的——單個引力子被吸收和發射。”

但如何檢測它們呢？

“我們得先冷卻材料，然後監測能量在單個步驟裡的變化，這能夠通過量子傳感來達成，”斯德哥爾摩北歐理論物理研究所的博士後研究員馬尼坎丹說道。

“通過觀察材料裡的這些量子躍遷，我們就能推斷出有一個引力子被吸收了，”如今是斯德哥爾摩大學研究生的託巴爾補充說。“我們把它叫做‘引力聲子效應’。”

該團隊提出的一項創新在於利用 LIGO 現有的數據，LIGO 是一個由兩個設施構成的美國觀測站，其近期證實了引力波的存在。

“LIGO 觀測站非常善於探測引力波，但它們無法捕捉單個引力子，”史蒂文斯大學的博士生貝特爾指出。“但我們可以利用它們的數據與我們提議的探測器進行互相關，以分離出單個引力子。”

皮科夫斯基的團隊是怎樣設計出這個巧妙實驗的？靠的是大量的數學知識和創造力，還有近期技術進步所帶來的極大助力。

“多年來，許多物理學家都考慮過這個問題，但答案總是一樣的：這是不可能做到的，”皮科夫斯基說。“無法想象超越幾個原子的量子實驗，它們幾乎根本不與引力子相互作用。”

但如今情況有變：科學家最近開始在宏觀物體中創造並觀測量子效應。

該團隊開始琢磨一個可能的實驗。藉助之前在地球上測量所得的引力波數據，例如 2017 年源自兩個曼哈頓大小（但超級密集）的遙遠中子星碰撞所產生的那些數據，他們算出了能夠優化單個引力子吸收概率的參數。

“結果表明，這種測量能夠完成，”馬尼坎丹說，“例如，通過使用類似於韋伯棒的設備。”

韋伯棒是又厚又重（重達一噸）的圓柱形棒，以其發明者、新澤西本地人約瑟夫·韋伯的名字命名。隨着基於光學的檢測技術的大量涌現，這些棒最近已被棄用，但對於物理學家尋找引力子的探險來說，它們實際上會很有效。

這是因爲它們可以吸收和發射引力子——這與愛因斯坦所提出的光子（光的最小構成單元）的“受激發射和吸收”直接相似。

一個新設計的量子探測器會被冷卻到最低能量，接着會因引力波的經過而產生輕微振動。理論上，超靈敏的能量傳感器隨後可以捕捉到這些振動如何以離散的步驟變化。每個離散的變化（也稱爲量子躍遷）將表示一個單一的引力子事件。

當然，捕捉引力子存在着一個難題。必要的傳感技術還不存在。

“最近在材料中已經觀測到了量子躍遷，但還未達到我們所需的質量，”託巴爾指出。“但技術進步非常迅速，我們有更多關於如何使其更容易的想法。”

托馬斯滿懷熱情地說：“我們確信這個實驗會成功。”

“既然我們知道引力子可以被探測到，這就爲進一步開發適當的量子傳感技術提供了動力。如果運氣好，很快就能捕捉到單個引力子。”

但儘管新的量子技術至關重要，這個結果的靈感來自別處。

“我們知道量子引力仍未解決，全面測試它非常困難，”皮科夫斯基說，“但我們現在可以邁出最初的一步，就像一百多年前科學家對光量子所做的那樣。”