人类有望探测到引力子

探测引力子——一种被认为携带引力的假想粒子——是科学家的终极物理实验。然而，传统观点认为这是不可能完成的任务。一个令人失望的估算结果表明，如果我们有一个绕太阳运行的地球大小的装置，那么这个装置每十亿年才可能捕获一个引力子。另一项计算表明，要在十年内捕获一个引力子，你必须将一台木星大小的机器停在中子星旁边。简而言之：我们探测不到引力子。

一项新的实验提案颠覆了传统观念。几个物理学家将对时空中的引力波涟漪的现代理解与量子技术的发展相结合，设计了新方法探测引力子或是与引力子密切相关的量子事件。这一实验仍然是一项艰巨的任务，但在普通实验室的空间范围内和科学家职业生涯的时间跨度内是可以实现的。

瑞士苏黎世联邦理工学院的实验学家马泰奥·法德尔（Matteo Fadel）说：“这项研究在几年内就可以完成。”他并没有参与该实验提案。

麻省理工学院的诺贝尔奖获得者、对引力子探测一直很感兴趣的物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）说：“这是一个非常有创意且经过了深思熟虑的提案。这将是该领域的真正进步。”

爱因斯坦的广义相对论将引力归因于时空结构中的平滑曲线。但有明确结果的引力子探测将会证明，引力是以量子形式存在的，就像电磁力及其他基本力一样。大多数物理学家认为引力确实有量子性的一面，他们花了差不多一个世纪确定它的量子规则。探测引力子实验将证实这条道路是正确的。

然而，即使实验相对简单，对检测结果的确切解释也不是那么容易就能得到的。对有效结果的最简单的解释就是引力子存在。但物理学家已经找到了在不使用引力子概念的情况下解释这一结果的方法。

这场讨论让人想起量子时代开始时一个混乱的、现在已经基本被遗忘的插曲。1905年，爱因斯坦将实验数据解释为光是“量子化的”，以离散粒子的形式出现，现在我们称之为光子。其他人，包括尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和马克斯·普朗克（Max Planck），则认为光的经典波动性质仍然可能得以保存。物理学家花了70年才真正确定光是量子化的，而这主要是因为量子的微妙性质。

大多数物理学家认为世界上的一切都是量子化的，包括引力。但证明这一假设将意味着一场全新的战争的到来。

引力的咔嚓声

我们很难通过实验探测引力，因为引力非常弱。你需要巨大的质量——比如行星——显著地扭曲时空并产生明显的引力。相比之下，哪怕信用卡大小的磁铁都可以粘在你的冰箱上。电磁力不是一种微弱的力量。

研究这些力的一种方法是扰动一个物体，然后观察其向外传播的涟漪。摇动一个带电粒子，它会产生电磁波。扰动一个巨大的物体，它就会发出引力波。我们用眼球接收光波，但要接收引力波则是另一回事。经过几十年的努力，我们建造了组成激光干涉引力波天文台（LIGO）的数公里长的探测器，终于在2015年首次探测到时空中的轰鸣声——这是由远方的黑洞之间的碰撞发出的。

探测单个引力子则更加困难，就像是在海浪中捕获一个水分子。在2012年的一次演讲中，著名物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）考虑了来自太阳的引力波，他认为恒星内部物质的剧烈扰动应该在时空中不断轻微振动。偶尔，这些涟漪中的一个引力子会撞击探测器中的原子，并将电子激发到更高的能级。戴森计算出，在一个像地球一样大的探测器中，经过50亿年，也就是太阳目前的寿命，这种效应可能只会出现四次。

自戴森发表观点以来的十几年里，两项实验性的进展使情况变得不那么可怕。首先，LIGO开始定期探测黑洞碰撞产生的引力波，偶尔也会探测中子星碰撞产生的引力波。这些事件对时空的振动比太阳内部的扰动要强烈得多，因此提供了大量的引力子，而不是戴森描述的那种涓涓细流。其次，实验人员激发和测量量子现象的实验能力也在不断加强。

自2016年开始，史蒂文斯理工学院的理论物理学家伊戈尔·皮科夫斯基（Igor Pikovski）就一直在思考这一领域的发展情况。当时，他和三位合作者指出，一桶超流氦——一种质量很大但可以显示出量子特性的物质——可以对某些引力波产生回响。

从引力波探测器到单个引力子探测器，还需要另一个概念上的飞跃。在2024年8月发表在《自然-通信》上的最新论文中，皮科夫斯基和他的合著者概述了引力子探测器的工作原理。

首先，取一根15公斤的铍棒（或一些类似的材料），将其冷却至绝对零度附近，即理论上可能的最低温度。在热量的耗散过程中，铍棒将处于最低能量的基态。铍棒上的所有原子将体现为一个整体的量子系统，类似一个庞大的原子。

然后，静待来自深空的引力波经过。任何特定的引力子与铍棒相互作用的概率都很低，但一次引力波效应将包含数量众多的引力子，因此至少发生一次相互作用的总体概率很高。该小组计算出，大约三分之一的正常类型的引力波（中子星碰撞的效果最好，因为它们的合并持续时间比黑洞合并的时间长）将使棒具有一个量子单位的能量。如果铍棒呈现的效果与LIGO确认的引力波相一致，你就可以目睹一起由引力导致的量子化事件。

“这将是我们了解量子引力重要作用的第一个窗口。”皮科夫斯基说。

开启这一窗口的过程中会面临少数几个工程上的障碍，其中最困难的障碍是将重物置于其基态，并测量其跃迁到下一个最低能量状态的过程。苏黎世联邦理工学院是开展这一领域最先进技术的团体之一。法德尔和他的合作者冷却微小的蓝宝石晶体，直到它们显示出量子特性。2023年，该团队成功地将晶体同时置于两种状态——这是量子系统的另一个标志性特点。它的质量是一千六百万分之一克，对于量子物体来说很重，但仍然只是皮科夫斯基的铍棒质量的五亿分之一。然而，法德尔认为，这一实验方案是可以实现的。“这没什么困难的地方。”他说。

皮科夫斯基的实验与戴森的实验一样，模拟了爱因斯坦在1905年提出的光是量子化的实验，这是量子力学史上的一个分水岭时刻。维尔切克说：“如果这一实验得以实施，它将使探测引力子的最新技术达到与1905年探测光子相同的效果。”

按照教科书上的说法，爱因斯坦的论文证实了光子的存在。但真实的故事要有趣得多。当时，许多物理学家拒绝了爱因斯坦的理论。有些人保持否定观点长达二十年。在他们看来，这项实验远未得出确凿的证据。相反，这是一次长达数十年的战争的开场。这场战争的目的是确定光的真实性质。

光子的真实故事

物理学家在19世纪末看到了他们对现实的经典解释中出现的第一条裂缝。约瑟夫·约翰·汤姆孙（Joseph John Thomson）发现电流以离散的电荷形式存在，并称其为电子。与此同时，物理学家对海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）和其他人利用光产生电流的一系列实验感到困惑。这种现象就是光电效应。

令人不解的是，当他们将昏暗的光束照射到金属板上时，有时电流会流过金属板，有时则不会。在量子时代之前，这很难解释。人们认为，任何波都应该至少产生一个小的电流，而更亮的光波应该产生更大的电流。相反，物理学家发现，有一种特殊颜色的光，即一种特殊频率的光，可以产生电流。只有高于或等于这种频率的波才能导致电流产生。亮度与这一过程无关。

爱因斯坦在1905年提出了一个解决方案：光波由许多称为“量子”的离散单元组成，每个单元的能量与波的频率有关。波的频率越高，其量子的能量就越大。波越亮，量子就越多。如果你试图用低频红光在金属板中启动电流，你就像试图用乒乓球撞翻冰箱一样，根本不会成功。但使用更高频率的蓝光就像把乒乓球换成巨石。每一个单元都有足够的能量激发电子。当然，在昏暗的光线下只会激发出很少的电子。

爱因斯坦的理论遭到了怀疑。物理学家对詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在40年前提出的光是电磁波的理论深信不疑。他们已经看到了光的折射、衍射，以及光作为波体现的一切效应。它怎么可能是由粒子组成的？

即使在爱因斯坦因其光电效应理论获得1921年诺贝尔物理学奖之后，物理学家之间的争论仍在继续。光电效应表明光是量子化的，否则，就不会有让电子运动所需的最小阈值。但一些物理学家，包括量子理论创始人之一玻尔，也在继续探索光非量子化的可能性。今天，这种理论被称为“半经典”理论，因为它描述了一个可以与量子化物质相互作用的经典场。

为了了解半经典理论如何解释光电效应，我们可以想象一个孩子在荡秋千。这有点像金属中的电子，有基态（不摆动）和激发态（摆动）两种形式。经典的波就像是给孩子的一系列推力。如果推力以某种随机频率出现，则不会发生任何事情。孩子可能会有点摇晃，但他基本上会保持在地面附近的状态。只有当你以正确的频率——“共振”频率——推动时，孩子才会积累能量并开始荡秋千。（金属中的电子有点不同；它们与整个连续的“频带”共振，而不仅仅是一个频带。但结果是一样的：低于该频带的任何波都不起作用，而该频带中的任何波都会激发电子并产生电流。）

爱因斯坦的理论最终被证明是正确的，并且不仅仅是光电效应方面。后来，使电子和光子像炮弹一样碰撞的实验现象表明，动量也是量子的。这项研究最终否定了玻尔和他的合作者提出的光和物质的半经典理论。1925年，看到这些数据之后，玻尔同意“给我们革命性的努力过程带来尽可能光荣的葬礼”，并欢迎光进入量子领域。光量子之后被称为光子。

1925年以后，很少有人再怀疑光子，但物理学家依然希望对此继续深究。虽然没有人能想到一个可行的半经典理论，但这并不意味着这个理论不存在。对光子真实性的最终证明出现在20世纪70年代末，当时量子光学的研究人员表明，光到达探测器的方式是半经典理论无法解释的。这些实验类似每秒发射一次光子枪，并将探测器接收的次数作为响应。光子战争以一声呜咽结束。

维尔切克说：“有大量证据表明，这种光子的概念是有用且重要的。”

引力子战争开始

2023年8月，丹尼尔·卡尼（Daniel Carney）和他的合作者在一场新的战争中开了第一枪。

当卡尼的同事尼古拉斯·罗德（Nicholas Rodd）对可能探测到引力子的方法有了与皮科夫斯基类似的见解时，问题出现了。卡尼说：“我们感到非常紧张。”

当他和他的合作者深入研究文献时，他们发现了光子的混乱历史，以及量子光学的研究人员在20世纪70年代为填补最后的漏洞所做的努力。他们将这些更严格的测试放到引力背景下，发现戴森是对的。科学家需要通过一个接一个地探测孤立的引力子来证明量子的真实性，而不是像皮科夫斯基的提议那样从海啸中取出一个引力子。这确实需要行星级的机器。

卡尼说：“我们必须迅速地完全修改假设。这太疯狂了。”

现在，引力子的探索者发现自己处于一个特殊的位置。在主要事实上，每个人都持统一态度。首先，令人惊讶的是，探测引力波引发的量子事件是可能的。但是，这并不能明确证明引力波是量子化的。卡尼说：“你能制造出产生相同信号的经典引力波吗？答案是肯定的。”卡尼和两位合著者在2024年2月的《物理评论D》（Physical Review D）上分析了这类实验。

物理学家对于能从实验中得到什么样的结论持不同观点。对一些人来说，这强烈表明引力是一种量子力，因为另一种选择——引力和物质的半经典理论——在其他方面不受欢迎。例如，这些理论违反了能量守恒定律。如果铍棒获得了一个量子的能量，那么能量守恒要求引力波必须失去一个量子的能量，因此它也必须被量子化。（爱因斯坦在1911年提出了这种关于光子的论点。）半经典理论通过牺牲这一受人尊敬的原理来拯救引力的经典性。

维尔切克说：“除非你使用非常不自然的解释，否则你确实应该意识到需要将量子力学应用于引力波。”

皮科夫斯基说：“如果我想看到量子化的迹象，那么排除这些病态的前提并不是我的第一个目标。”

然而，对于像卡尼这样的物理学家来说，仅仅提出引力是量子化的假设并不能提供足够的信息。物理学家已经有非常强有力的想法，认为所有现实的物理量都是量子化的。接下来需要的是证据，比如能够填补剩余理论漏洞的实验。尽管这些漏洞看起来可能会奇怪。

他说：“我们偏向于认为一切都是量子化的。我们像律师一样偏执。”

起点

虽然皮科夫斯基的提议不是一个填补漏洞的实验，但许多物理学家仍然希望看到它能够得以实现。这将标志着量子引力时代的黎明。目前，这个时代似乎还很遥远。

波士顿大学的实验物理学家亚历克斯·苏什科夫（Alex Sushkov）说：“这是一篇令人兴奋的论文。这些都是艰难的实验，我们需要聪明的人朝着这个方向前进。”

伦敦帝国理工学院的物理学家金明希（Myungshik Kim）说：“我们可以把它作为一个起点。”

这可能会引领后续的实验，让物理学家更深入地进入量子引力时代，就像散射实验曾经让他们更深入地了解光子时代一样。物理学家现在知道量子力学不仅仅是量子化的物理量。例如，量子系统可以呈现被称为叠加态的状态组合，它们可以通过这样的方式“纠缠”，即测量一个就可以揭示另一个的信息。证明引力也能表现出这些现象的实验将为量子引力提供更有力的证据。研究人员已经在探索得到这些现象需要什么样的条件。

这些对引力量子化的测试并非都无懈可击，但每一项都会提供一些关于这种宇宙最弱力的最佳特征的硬数据。现在，一个寒冷的铍量子棒似乎是这个实验器材的主要候选者。这一实验将标志着人类在这条漫长而曲折的道路上迈出的第一步。

资料来源 "Quanta Magazine