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引力子物理探索研究展现科学的魅力

冯杰

2024年05月22日 01:52

人民日报

许多人了解引力的概念是通过牛顿的万有引力定律。从传说中砸中牛顿的苹果到天上飘落的雨滴,引力无处不在;从牛顿力学到爱因斯坦相对论再到弦理论,数百年来科学家对引力与引力子的探索从未间断。引力子研究是物理学的终极问题之一,有人甚至把引力子视作粒子物理学的最后一块拼图,如果能证实引力子的存在,将是当代物理学乃至整个科学领域的重大突破。

前不久,我所在的科研团队一项最新研究成果在《自然》杂志发表,引发社会关注。我们通过自主设计的实验设备,首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”,这标志着自20世纪30年代引力子概念提出以来,世界范围内首次在真实系统中发现具有引力子特征的准粒子。在引力子物理的探索道路上,我们朝前迈出了重要一步。

引力子研究对实现广义相对论和量子力学的统一殊为关键

很长时间以来,物理学家一直追求一种大一统理论,希望用它来解释自然界的所有物理现象。虽然这个目标尚未达成,但这一追求不断推动着物理学的发展,并且深刻影响了科技进步,引发了多次科技革命。例如,牛顿提出的万有引力,统一了地球上的物体和天体的运动规律,并构建了牛顿力学,这直接催生了第一次工业革命;电动力学的研究成功地统一了电与磁的概念,催生了第二次工业革命。而今,广义相对论和量子力学在现代物理学中占据要位,分别成功地应用于宏观和微观世界。这两大理论目前还未能实现统一,科学家们在朝着这个目标努力,期待二者的统一能像历史上每一次重大科学突破那样,引领新一轮科技革命。

广义相对论作为目前最为成功的引力理论,指出引力的本质不是物体间的吸引力,而是时空弯曲的一种几何效应。这一理论解释了宇宙中的绝大多数宏观现象,并预言了引力波的存在。想象一下,重球会让紧绷的床单形成凹陷,如果你轻轻地推一个小球过去,它会朝着那个凹陷滚动。在这里,床单类似于物理学中的“度规”(用来描述时空形状的概念),而引力波就是一种源自时空度规波动的现象。近年来,随着“中国天眼”(FAST)和激光干涉引力波天文台(LIGO)等国内外大科学装置多次观测到引力波的相关信号,广义相对论中关于引力是时空几何效应的观念已被广泛认可。

量子力学则在描述微观世界如原子和亚原子尺度的物理规律方面,取得了巨大成功。自量子力学确立以来,物理学家已经将已知的四种基本作用力中的三种——强相互作用力、弱相互作用力和电磁力——成功地统一到量子力学的理论框架内。然而,引力仍未被纳入这一框架中。类似于光子是电磁波在量子世界中的表现,科学家推测引力波在量子世界中的粒子是引力子。物理学家一直试图通过引力子这一概念,将引力融入量子力学的体系,从而实现四种基本作用力的完全统一,也即广义相对论与量子力学的统一。

引力子研究凭借其在物理学中的重要性,引起广泛而强烈的学术关注。然而,宇宙中的引力子信号很难探测,难度远超引力波。有物理学家指出,即使利用与地球质量相当的理想探测器,也可能需要超过10亿年才会探测到一个来自太阳的引力子。到目前为止,尚未有引力子的实验证据被报道,引力子物理的研究主要还是停留在理论上。

凝聚态系统中的引力子激发具有和引力子类似的特性

相较于遥远的宇宙,生活中大部分可见物质都是凝聚态,通常包括固态和液态。凝聚态系统中,大量的电子、分子等单体之间相互作用,导致系统呈现出区别于单体的特征。科学家已经发现凝聚态系统存在着和宇宙中的粒子类似的物理性质。凝聚态物理和量子引力这两个领域开始交汇。

有理论物理学家提出猜想:在分数量子霍尔态中,可能存在具有引力子特征的准粒子,表现为低能集体激发,即大量电子集体性的能量跃迁——就像平静的湖面上突然激起数不清的、不同形状的涟漪。分数量子霍尔态是一种超越传统固体物理框架的强关联物质形态,代表了当代凝聚态物理学研究的前沿。分数量子霍尔效应只有在极端条件下才会被观测到,它的出现打开了人类认识世界的一扇窗口。分数量子霍尔效应一般可以形象地理解为“特殊电子”(如一个电子与两个磁通量子相结合)在二维平面上沿圆形轨道运动,这些圆形轨道通常被认为是固定不变的。然而,近年来已有物理学家指出:存在一种长期被忽视的量子度规,在这一新框架下,轨道形状是可变的。这种随时间变化的轨道几何形变,能够将“特殊电子”推向同圆心的次近邻轨道,这个效应带来了引力子激发。引力子激发不仅具有和引力子类似的特性,而且还可以通过相应的量子引力方程来描述。

但是,寻找引力子激发的道路同样挑战重重。

引力子激发的首次实验发现为量子引力物理开辟了新途径

引力子激发的探测需要依赖双光子过程的非弹性光散射实验。这种实验对设备的要求极为苛刻且看似矛盾。一方面,实验需要在极低温度下进行(约50毫开尔文,零下273.1摄氏度)并且需要强磁场支持(约10特斯拉),一般通过稀释制冷机来实现;另一方面,实验中使用的可见光及制冷机的透光窗口辐射,容易将温度升至100毫开尔文以上。此外,实验测量也对制冷机脉冲管带来的振动极为敏感。更为复杂的是,由于引力子激发的能量极低(最低可至70吉赫兹),实验需要在微波波段实现共振非弹性光散射测量,即使在室温条件下也极具挑战。因此,这一实验一直被认为是极难完成的任务,无论是从实验技术,还是从基础物理创新角度,都意味着从0到1的突破。

经过多年努力,南京大学自主设计并集成组装了一套基于稀释制冷技术的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。这台特殊的设备能够在零下273.1摄氏度的环境中捕捉到最低至10吉赫兹的微弱激发并判断其自旋。利用这一先进设备,实验团队近日在砷化镓半导体量子阱中成功观测到分数量子霍尔效应中的引力子激发。通过共振非弹性光散射,团队从自旋、动量和能量的角度确认了引力子激发的实验证据。

这项工作标志着科学界首次在实验中观察到具有引力子特征的准粒子,首次在真实的凝聚态系统中揭示了引力子物理的量子规律,为探索量子引力物理开辟了新的途径。想象一下,原本可能需要建造行星级别的探测器才能研究引力子的奥秘,如今在一个房间大小的实验设备中,就可以一窥其深奥的物理规律。

引力子激发的发现,为分数量子霍尔效应的量子几何理论提供了关键实验证据,打开了关联物态的几何效应实验研究的新方向。以往人们在研究分数量子霍尔效应时,主要关心其拓扑性质,而忽视量子几何的重要性,实际上量子几何与拓扑一样,对理解物质的关联性质极为重要。引力子激发的研究,有助于我们更深入地理解物质的微观结构和相互作用机制。未来的新型电子器件和新型材料可能就得益于这种对物质微观结构的更深入理解。此外,引力子激发的研究有助于揭示拓扑量子计算的物理机制,推动相关应用的发展,带来信息处理速度的极大提升,网络通信、大数据、人工智能等领域将迎来新的发展机遇。

科幻小说《三体》这样描绘基础物理的重要性:当一个文明掌握了更加基础的物理规律之后,可以发展出领先于其他文明的科技水平。有关引力子的探索研究,正是基础物理的重要组成。目前,引力子激发这一实验发现,已经引起世界范围内科学工作者关注。很多理论物理学家已经投入到凝聚态宇宙的量子引力物理研究中,提出了有趣且富有想象力的研究方案。这给予我们实验物理工作者很大启发,我们将继续推进相关研究,升级实验设备,从而更好探索奇妙的物理世界,以科学研究为发展新质生产力作出贡献。

(作者为南京大学物理学院教授)   


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2024年05月22日 09:52
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