新实验有望破解物理学引力子这一重大谜团

重力一直是一个可靠的常量。苹果下落，行星绕轨道运行，宇宙在这种力量的引导下有序运行。一个多世纪以前，阿尔伯特·爱因斯坦改变了我们对重力的理解，将其描述为时空的扭曲。但与其他力不同，重力在量子世界中仍然是一个谜。

物理学家们长期以来一直认为，在最基本的层面上，重力是由被称为引力子的微小粒子携带的，就像光子携带电磁能一样。然而，这些粒子从未被观测到——有些人认为它们可能永远也找不到。

由伊戈尔·皮科夫斯基教授及其在史蒂文斯理工学院的团队领导的一项新研究表明，这种情况可能很快就会改变。研究人员提议使用下一代量子传感器来检测单个引力子。这样的壮举可以将重力与量子力学联系起来，并解决标准物理模型中的最大的漏洞之一。他们声称，这个实验不再是一个遥远的梦想，而是很快就可能成为现实。

“这是一个长期性实验，一直以来被认为不可能，但我们觉得已经找到了实现它的方法，”皮科夫斯基说。

几十年来，物理学家一直试图将引力与量子力学联系起来，量子力学是描述最小尺度上粒子奇怪行为的理论。所有其他的基本力都已在量子理论下成功实现统一，然而引力却仍然是个例外。如果引力子存在，它们将是引力的量子组成部分，类似于光子是光的量子载体。

然而，探测引力子一直是一个无法克服的挑战。当前技术能够观测引力波——由黑洞碰撞等大规模宇宙事件引起的时空涟漪。然而，这些探测器在探测单个引力子时却力不从心，尽管典型引力波中引力子的数量估计高达惊人的 10（1 后面跟 36 个 0）。

皮科夫斯基的团队认为，他们通过把声学谐振器与复杂的量子传感技术相结合，找到了一个解决方案。这种谐振器会放大波（通常是声波）。这种设置可以检测到单个引力子与谐振器相互作用引起的微小能量变化。这个概念类似于助力爱因斯坦的光电效应，只不过用的是引力波而非电磁波。

在拟议的实验中，一个有趣的转折涉及重新发现一项旧技术——韦伯棒。以约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）命名，他于 20 世纪 60 年代率先使用它们来探测引力波，随着更复杂的光学探测器的出现，这些沉重的圆柱形棒不再受青睐。然而，韦伯棒非常适合探测单个引力子。它们能够以一种类似于光子“受激发射和吸收”的方式吸收和发射引力子，这一概念最初由爱因斯坦提出。

为了探测引力子，该实验需要将类似韦伯棒的谐振器冷却至接近绝对零度，并观察能量的任何变化。谐振器必须尽可能地冷却，从而将设备与外部噪声隔离。高度敏感的量子传感器随后可以检测到这些振动的微小变化。

每一个离散的变化，或者说量子跃迁，都可能意味着单个引力子的吸收或发射——他们把这种现象称作“引力声子效应”。引力的吸收和发射与光子的“受激发射和吸收”类似，这一概念最初由爱因斯坦提出。

虽然实验仍处于理论阶段，不过研究人员很乐观。他们建议，使用来自 LIGO 的数据或许有助于探测这些微妙的量子事件。这个想法是将引力波数据与拟议探测器的信号交叉参考，以隔离可能表明单个引力子的事件。

尽管这种新方法大有前景，但仍存在重大障碍。这种敏感实验所需要的量子传感器当下还未出现。然而，近年来的技术进步让我们有希望这些传感器很快就能被研发出来。

探测到单个引力子将是物理学上的一项重大成就之一，为量子引力理论提供首个实验证据。这将在爱因斯坦的广义相对论（将引力描述为时空的弯曲）和支配粒子与力的微观世界的量子力学之间架起一座重要的桥梁。

目前，我们对于引力的理解和量子力学的原理不一致，这是现代物理学中的一个基本矛盾。探测到引力子将有助于巩固引力像光一样具有量子性质的观点，有可能为超越我们当前理论的新物理学打开大门。

“我们确信这个实验会成功，”皮科夫斯基实验室的一年级研究生托马斯·贝特尔说。“既然我们知道引力子可以被探测到，这就为进一步开发适当的量子传感技术增添了动力。要是运气好，很快就能捕捉到单个引力子。”

这些研究发现刊登于《自然通讯》杂志。

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