走进科学
物理学家提出新方法来捕捉引力子
科学家们提出了一种新方法，可能比预期更容易探测引力子，挑战了长期以来的科学共识。
探测引力子——假想的引力粒子——一直是物理学的终极实验。然而，传统观点认为这几乎不可能。根据一项估计，地球大小的设备绕太阳运行，可能每十亿年才会探测到一个引力子。为了在十年内捕捉到一个，你需要在中子星旁边放置一台像木星一样大的机器，简而言之，这几乎是不可能的。
但一项新的提议推翻了这一传统观点。通过结合对引力波的现代理解与量子技术的发展，一组物理学家设计出了一种新方法，旨在探测引力子或与引力子紧密相关的量子事件。这项实验仍将是个巨大的挑战，但在一个普通实验室内进行，耗时一生的研究都是可能的。
“这是几年内可以实现的目标，”瑞士联邦理工学院的实验物理学家Matteo Fadel说。
“这是一个非常原创的提案，思路缜密，”诺贝尔奖获得者Frank Wilczek说，他长期关注引力子的探测。“如果能成功，将是该领域的真正进展。”
目前，爱因斯坦的广义相对论将引力归因于时空的光滑曲线。但确认引力子的存在将证明引力也以量子粒子的形式存在，就像电磁力和其他基本力一样。大多数物理学家认为引力确实有量子特性，他们花了近一个世纪来努力确定其量子规律。探测到引力子将确认他们在正确的道路上。
然而，即使实验相对简单，关于探测结果究竟证明了什么的解释却并不简单。最简单的解释是引力子的存在，但物理学家已经找到了解释这种结果的方法，而无需提到引力子。
这种讨论使人回忆起量子时代初期的一段混乱而又被遗忘的历史。1905年，爱因斯坦解释实验数据，得出光是“量子化”的结论，光由现在称为光子的离散粒子构成。其他人则认为光的经典波动性质可能仍然成立。物理学家们花了七十年的时间才无可否认地确立光的量子化，主要是因为量子特性本质的微妙。
大多数物理学家假设世界上的一切都是量子化的，包括引力。但证明这一假设将是一场新的战争，而这场战争刚刚开始。
探测引力是困难的，因为这个力量极其微弱。需要巨大的质量——想想行星——才能显著扭曲时空并产生明显的引力吸引。举个例子，一个信用卡大小的磁铁就能吸附在冰箱上，而电磁力可不是微妙的力量。
一种研究这些力量的方法是扰动一个物体，然后观察随之而来的波纹。摇动一个带电粒子会产生光波；扰动一个大物体会发出引力波。我们用眼睛接收光波，但引力波就不同了。2015年，经过数十年的努力和建设巨大的激光干涉引力波天文台(LIGO)，人们首次探测到时空的涟漪，这源于远处黑洞的碰撞。
探测单个引力子更加困难，类似于在海洋波浪中察觉一个分子的影响。2012年，著名物理学家Freeman Dyson考虑了来自太阳的引力波，认为太阳内部物质的剧烈搅动会不断发出微弱的时空震动。他计算出在一个与地球同样大小的探测器上，运行太阳的50亿年寿命，这种效应可能仅能观察到四次。
自Dyson发言以来，过去十年中有两个实验进展使情况有所改善。首先，LIGO开始定期探测到来自黑洞碰撞的引力波，偶尔也有来自中子星的碰撞。这些事件会比太阳的内部运动更加剧烈，提供大量引力子。其次，实验者在引发和测量量子现象方面变得更加熟练。
目前，Igor Pikovski和他的合作者指出，超流氦的槽可以设置为对某些引力波产生回声。这将是我们窥视量子引力的首个窗口。
从引力波探测器到单个引力子的探测器的转变，需要更深层次的概念飞跃。在最近的论文中，Pikovski和他的合著者描述了引力子探测器的工作原理。
首先，取一根15公斤的铍棒(或类似材料)，将其冷却到接近绝对零度。在失去所有热量后，这根棒将处于最低能量的“基态”。铍棒的所有原子将作为一个量子系统共同作用。
然后，等待深空中的引力波经过。尽管任何特定的引力子与铍棒相互作用的几率很低，但波中引力子的数量众多，使得至少一次相互作用的总体几率很高。研究小组计算出，大约三分之一的合适引力波(中子星碰撞效果最佳，因为其合并时间长于黑洞合并)将使铍棒产生一个量子能量单位的振动。如果你的铍棒与通过LIGO确认的引力波同时振动，那你就见证了引力导致的量子事件。
尽管在打开这一窗口的过程中存在许多工程障碍，但其中最大的挑战是在感知铍棒从基态跃迁到下一个低能量状态时。瑞士联邦理工学院的Fadel及其团队正在推动这方面的技术，他们将微小的蓝宝石晶体冷却到显示量子特性。2023年，该团队成功地让一块晶体同时处于两种状态，这是量子系统的另一个标志。它的质量为16百万分之一克，虽然对量子物体而言算重，但仍然比Pikovski的铍棒轻了五亿倍。然而，Fadel认为这个提案是可实现的。“这并不是太疯狂，”他说。
Pikovski的实验与Dyson的实验类似，模仿了引发爱因斯坦在1905年提出光量子化的实验，这在量子力学历史上是一个重要时刻。“如果能实现，这将使引力子的研究水平达到与光子在1905年时的相同水平，”Wilczek说道。
教科书通常将爱因斯坦的论文视为确立光子存在的基础，但真实的故事更加有趣。当时，许多物理学家拒绝接受爱因斯坦的理论。有些人直到20年后才改变看法。在他们看来，这项实验远不足以成为决定性证明，而是一次为期数十年的争论的开端。
引力子战争的开始
2023年8月，Daniel Carney及其合作者开启了新一轮的引力子战争。
事情开始于Carney的同事Nicholas Rodd的灵感，提出了一种可能的引力子探测方法。“我们都非常兴奋，”在劳伦斯伯克利国家实验室工作的Carney说。
但当他和同事深入研究文献时，发现了光子的混乱历史，以及量子光学研究者在1970年代为了弥补最后的漏洞所付出的努力。他们将这些更加严格的测试转换为引力背景下的情境，发现Dyson确实是对的。要真正证明量子性质，通过一个个引力子探测而不是从波涛中捕捉出一个，确实需要行星规模的设备。
“迅速调整假设是非常疯狂的，”Carney说道。
如今，引力子追寻者发现自己处于一种特殊的境地。在主要事实上，大家意见一致。一是，探测到由引力波引发的量子事件——出人意料地——是可能的；二是，这并不能明确证明引力波是量子化的。Carney说：“你能否制造出一个经典引力波，以产生相同的信号？答案是肯定的。”
物理学家对实验能获得多少信息的看法各异。对一些人来说，这强烈暗示引力是量子力，因为另一种可能性——引力和物质的半经典理论——在其他方面受到质疑。例如，这些理论违反了能量守恒原则。如果铍棒获得了一个量子能量，那么引力波就必须损失一个量子能量，因此也必须是量子化的。
“除非你使用非常人造的解释，”Wilczek说道，“否则这确实告诉你应该将量子力学应用于引力波。”
即便如此，这一理论的变化并不能消灭大多数物理学家在看待引力子时的根本分歧。
Pikovski和Fadel认为，他们的实验方法是一个实用的第一步，而Carney和他的团队则认为，进一步的进展在下一个实验周期中进行，推动人们达成共识。由于这一研究领域变得激烈且充满竞争，探测引力子的最终目标似乎愈加明确。探测引力子将让物理学家们揭示宇宙中最深奥的秘密，而这一目标也越来越近。
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。