人類有望探測到引力子

探測引力子——一種被認為攜帶引力的假想粒子——是科學家的終極物理實驗。然而，傳統觀點認為這是不可能完成的任務。一個令人失望的估算結果表明，如果我們有一個繞太陽運行的地球大小的裝置，那么這個裝置每十億年才可能捕獲一個引力子。另一項計算表明，要在十年內捕獲一個引力子，你必須將一臺木星大小的機器停在中子星旁邊。簡而言之：我們探測不到引力子。

一項新的實驗提案顛覆了傳統觀念。幾個物理學家將對時空中的引力波漣漪的現代理解與量子技術的發展相結合，設計了新方法探測引力子或是與引力子密切相關的量子事件。這一實驗仍然是一項艱巨的任務，但在普通實驗室的空間范圍內和科學家職業生涯的時間跨度內是可以實現的。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的實驗學家馬泰奧·法德爾（Matteo Fadel）說：“這項研究在幾年內就可以完成。”他并沒有參與該實驗提案。

麻省理工學院的諾貝爾獎獲得者、對引力子探測一直很感興趣的物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）說：“這是一個非常有創意且經過了深思熟慮的提案。這將是該領域的真正進步。”

愛因斯坦的廣義相對論將引力歸因于時空結構中的平滑曲線。但有明確結果的引力子探測將會證明，引力是以量子形式存在的，就像電磁力及其他基本力一樣。大多數物理學家認為引力確實有量子性的一面，他們花了差不多一個世紀確定它的量子規則。探測引力子實驗將證實這條道路是正確的。

然而，即使實驗相對簡單，對檢測結果的確切解釋也不是那么容易就能得到的。對有效結果的最簡單的解釋就是引力子存在。但物理學家已經找到了在不使用引力子概念的情況下解釋這一結果的方法。

這場討論讓人想起量子時代開始時一個混亂的、現在已經基本被遺忘的插曲。1905年，愛因斯坦將實驗數據解釋為光是“量子化的”，以離散粒子的形式出現，現在我們稱之為光子。其他人，包括尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和馬克斯·普朗克（Max Planck），則認為光的經典波動性質仍然可能得以保存。物理學家花了70年才真正確定光是量子化的，而這主要是因為量子的微妙性質。

大多數物理學家認為世界上的一切都是量子化的，包括引力。但證明這一假設將意味著一場全新的戰爭的到來。

引力的咔嚓聲

我們很難通過實驗探測引力，因為引力非常弱。你需要巨大的質量——比如行星——顯著地扭曲時空并產生明顯的引力。相比之下，哪怕信用卡大小的磁鐵都可以粘在你的冰箱上。電磁力不是一種微弱的力量。

研究這些力的一種方法是擾動一個物體，然后觀察其向外傳播的漣漪。搖動一個帶電粒子，它會產生電磁波。擾動一個巨大的物體，它就會發出引力波。我們用眼球接收光波，但要接收引力波則是另一回事。經過幾十年的努力，我們建造了組成激光干涉引力波天文臺（LIGO）的數公里長的探測器，終于在2015年首次探測到時空中的轟鳴聲——這是由遠方的黑洞之間的碰撞發出的。

探測單個引力子則更加困難，就像是在海浪中捕獲一個水分子。在2012年的一次演講中，著名物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）考慮了來自太陽的引力波，他認為恒星內部物質的劇烈擾動應該在時空中不斷輕微振動。偶爾，這些漣漪中的一個引力子會撞擊探測器中的原子，并將電子激發到更高的能級。戴森計算出，在一個像地球一樣大的探測器中，經過50億年，也就是太陽目前的壽命，這種效應可能只會出現四次。

自戴森發表觀點以來的十幾年里，兩項實驗性的進展使情況變得不那么可怕。首先，LIGO開始定期探測黑洞碰撞產生的引力波，偶爾也會探測中子星碰撞產生的引力波。這些事件對時空的振動比太陽內部的擾動要強烈得多，因此提供了大量的引力子，而不是戴森描述的那種涓涓細流。其次，實驗人員激發和測量量子現象的實驗能力也在不斷加強。

自2016年開始，史蒂文斯理工學院的理論物理學家伊戈爾·皮科夫斯基（Igor Pikovski）就一直在思考這一領域的發展情況。當時，他和三位合作者指出，一桶超流氦——一種質量很大但可以顯示出量子特性的物質——可以對某些引力波產生回響。

從引力波探測器到單個引力子探測器，還需要另一個概念上的飛躍。在2024年8月發表在《自然-通信》上的最新論文中，皮科夫斯基和他的合著者概述了引力子探測器的工作原理。

首先，取一根15公斤的鈹棒（或一些類似的材料），將其冷卻至絕對零度附近，即理論上可能的最低溫度。在熱量的耗散過程中，鈹棒將處于最低能量的基態。鈹棒上的所有原子將體現為一個整體的量子系統，類似一個龐大的原子。

然后，靜待來自深空的引力波經過。任何特定的引力子與鈹棒相互作用的概率都很低，但一次引力波效應將包含數量眾多的引力子，因此至少發生一次相互作用的總體概率很高。該小組計算出，大約三分之一的正常類型的引力波（中子星碰撞的效果最好，因為它們的合并持續時間比黑洞合并的時間長）將使棒具有一個量子單位的能量。如果鈹棒呈現的效果與LIGO確認的引力波相一致，你就可以目睹一起由引力導致的量子化事件。

“這將是我們了解量子引力重要作用的第一個窗口。”皮科夫斯基說。

開啟這一窗口的過程中會面臨少數幾個工程上的障礙，其中最困難的障礙是將重物置于其基態，并測量其躍遷到下一個最低能量狀態的過程。蘇黎世聯邦理工學院是開展這一領域最先進技術的團體之一。法德爾和他的合作者冷卻微小的藍寶石晶體，直到它們顯示出量子特性。2023年，該團隊成功地將晶體同時置于兩種狀態——這是量子系統的另一個標志性特點。它的質量是一千六百萬分之一克，對于量子物體來說很重，但仍然只是皮科夫斯基的鈹棒質量的五億分之一。然而，法德爾認為，這一實驗方案是可以實現的。“這沒什么困難的地方。”他說。

皮科夫斯基的實驗與戴森的實驗一樣，模擬了愛因斯坦在1905年提出的光是量子化的實驗，這是量子力學史上的一個分水嶺時刻。維爾切克說：“如果這一實驗得以實施，它將使探測引力子的最新技術達到與1905年探測光子相同的效果。”

按照教科書上的說法，愛因斯坦的論文證實了光子的存在。但真實的故事要有趣得多。當時，許多物理學家拒絕了愛因斯坦的理論。有些人保持否定觀點長達二十年。在他們看來，這項實驗遠未得出確鑿的證據。相反，這是一次長達數十年的戰爭的開場。這場戰爭的目的是確定光的真實性質。

光子的真實故事

物理學家在19世紀末看到了他們對現實的經典解釋中出現的第一條裂縫。約瑟夫·約翰·湯姆孫（Joseph John Thomson）發現電流以離散的電荷形式存在，并稱其為電子。與此同時，物理學家對海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）和其他人利用光產生電流的一系列實驗感到困惑。這種現象就是光電效應。

令人不解的是，當他們將昏暗的光束照射到金屬板上時，有時電流會流過金屬板，有時則不會。在量子時代之前，這很難解釋。人們認為，任何波都應該至少產生一個小的電流，而更亮的光波應該產生更大的電流。相反，物理學家發現，有一種特殊顏色的光，即一種特殊頻率的光，可以產生電流。只有高于或等于這種頻率的波才能導致電流產生。亮度與這一過程無關。

愛因斯坦在1905年提出了一個解決方案：光波由許多稱為“量子”的離散單元組成，每個單元的能量與波的頻率有關。波的頻率越高，其量子的能量就越大。波越亮，量子就越多。如果你試圖用低頻紅光在金屬板中啟動電流，你就像試圖用乒乓球撞翻冰箱一樣，根本不會成功。但使用更高頻率的藍光就像把乒乓球換成巨石。每一個單元都有足夠的能量激發電子。當然，在昏暗的光線下只會激發出很少的電子。

愛因斯坦的理論遭到了懷疑。物理學家對詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在40年前提出的光是電磁波的理論深信不疑。他們已經看到了光的折射、衍射，以及光作為波體現的一切效應。它怎么可能是由粒子組成的？

即使在愛因斯坦因其光電效應理論獲得1921年諾貝爾物理學獎之后，物理學家之間的爭論仍在繼續。光電效應表明光是量子化的，否則，就不會有讓電子運動所需的最小閾值。但一些物理學家，包括量子理論創始人之一玻爾，也在繼續探索光非量子化的可能性。今天，這種理論被稱為“半經典”理論，因為它描述了一個可以與量子化物質相互作用的經典場。

為了了解半經典理論如何解釋光電效應，我們可以想象一個孩子在蕩秋千。這有點像金屬中的電子，有基態（不擺動）和激發態（擺動）兩種形式。經典的波就像是給孩子的一系列推力。如果推力以某種隨機頻率出現，則不會發生任何事情。孩子可能會有點搖晃，但他基本上會保持在地面附近的狀態。只有當你以正確的頻率——“共振”頻率——推動時，孩子才會積累能量并開始蕩秋千。（金屬中的電子有點不同；它們與整個連續的“頻帶”共振，而不僅僅是一個頻帶。但結果是一樣的：低于該頻帶的任何波都不起作用，而該頻帶中的任何波都會激發電子并產生電流。）

愛因斯坦的理論最終被證明是正確的，并且不僅僅是光電效應方面。后來，使電子和光子像炮彈一樣碰撞的實驗現象表明，動量也是量子的。這項研究最終否定了玻爾和他的合作者提出的光和物質的半經典理論。1925年，看到這些數據之后，玻爾同意“給我們革命性的努力過程帶來盡可能光榮的葬禮”，并歡迎光進入量子領域。光量子之后被稱為光子。

1925年以后，很少有人再懷疑光子，但物理學家依然希望對此繼續深究。雖然沒有人能想到一個可行的半經典理論，但這并不意味著這個理論不存在。對光子真實性的最終證明出現在20世紀70年代末，當時量子光學的研究人員表明，光到達探測器的方式是半經典理論無法解釋的。這些實驗類似每秒發射一次光子槍，并將探測器接收的次數作為響應。光子戰爭以一聲嗚咽結束。

維爾切克說：“有大量證據表明，這種光子的概念是有用且重要的。”

引力子戰爭開始

2023年8月，丹尼爾·卡尼（Daniel Carney）和他的合作者在一場新的戰爭中開了第一槍。

當卡尼的同事尼古拉斯·羅德（Nicholas Rodd）對可能探測到引力子的方法有了與皮科夫斯基類似的見解時，問題出現了。卡尼說：“我們感到非常緊張。”

當他和他的合作者深入研究文獻時，他們發現了光子的混亂歷史，以及量子光學的研究人員在20世紀70年代為填補最后的漏洞所做的努力。他們將這些更嚴格的測試放到引力背景下，發現戴森是對的。科學家需要通過一個接一個地探測孤立的引力子來證明量子的真實性，而不是像皮科夫斯基的提議那樣從海嘯中取出一個引力子。這確實需要行星級的機器。

卡尼說：“我們必須迅速地完全修改假設。這太瘋狂了。”

現在，引力子的探索者發現自己處于一個特殊的位置。在主要事實上，每個人都持統一態度。首先，令人驚訝的是，探測引力波引發的量子事件是可能的。但是，這并不能明確證明引力波是量子化的。卡尼說：“你能制造出產生相同信號的經典引力波嗎？答案是肯定的。”卡尼和兩位合著者在2024年2月的《物理評論D》（Physical Review D）上分析了這類實驗。

物理學家對于能從實驗中得到什么樣的結論持不同觀點。對一些人來說，這強烈表明引力是一種量子力，因為另一種選擇——引力和物質的半經典理論——在其他方面不受歡迎。例如，這些理論違反了能量守恒定律。如果鈹棒獲得了一個量子的能量，那么能量守恒要求引力波必須失去一個量子的能量，因此它也必須被量子化。（愛因斯坦在1911年提出了這種關于光子的論點。）半經典理論通過犧牲這一受人尊敬的原理來拯救引力的經典性。

維爾切克說：“除非你使用非常不自然的解釋，否則你確實應該意識到需要將量子力學應用于引力波。”

皮科夫斯基說：“如果我想看到量子化的跡象，那么排除這些病態的前提并不是我的第一個目標。”

然而，對于像卡尼這樣的物理學家來說，僅僅提出引力是量子化的假設并不能提供足夠的信息。物理學家已經有非常強有力的想法，認為所有現實的物理量都是量子化的。接下來需要的是證據，比如能夠填補剩余理論漏洞的實驗。盡管這些漏洞看起來可能會奇怪。

他說：“我們偏向于認為一切都是量子化的。我們像律師一樣偏執。”

起點

雖然皮科夫斯基的提議不是一個填補漏洞的實驗，但許多物理學家仍然希望看到它能夠得以實現。這將標志著量子引力時代的黎明。目前，這個時代似乎還很遙遠。

波士頓大學的實驗物理學家亞歷克斯·蘇什科夫（Alex Sushkov）說：“這是一篇令人興奮的論文。這些都是艱難的實驗，我們需要聰明的人朝著這個方向前進。”

倫敦帝國理工學院的物理學家金明希（Myungshik Kim）說：“我們可以把它作為一個起點。”

這可能會引領后續的實驗，讓物理學家更深入地進入量子引力時代，就像散射實驗曾經讓他們更深入地了解光子時代一樣。物理學家現在知道量子力學不僅僅是量子化的物理量。例如，量子系統可以呈現被稱為疊加態的狀態組合，它們可以通過這樣的方式“糾纏”，即測量一個就可以揭示另一個的信息。證明引力也能表現出這些現象的實驗將為量子引力提供更有力的證據。研究人員已經在探索得到這些現象需要什么樣的條件。

這些對引力量子化的測試并非都無懈可擊，但每一項都會提供一些關于這種宇宙最弱力的最佳特征的硬數據。現在，一個寒冷的鈹量子棒似乎是這個實驗器材的主要候選者。這一實驗將標志著人類在這條漫長而曲折的道路上邁出的第一步。

資料來源 "Quanta Magazine