It Might Be Possible to Detect Gravitons After All
2025/3/27
Quanta Science Podcast
A
Alex Sushkov
D
Daniel Carney
F
Frank Wilczek
I
Igor Pekovsky
M
Matteo Fadel
M
Myung-Chik Kim
N
Nicholas Rodd
Susan Vallett: 本期节目讨论了一项新的实验方案，该方案表明探测引力子可能比之前认为的更容易。虽然探测引力子仍然是一项极具挑战性的任务，但该方案为我们提供了一种新的途径。该方案结合了对时空涟漪（引力波）的现代理解和量子技术的发展，提出了一种探测引力子（或与引力子密切相关的量子事件）的新方法。即使实验成功，对结果的解释也并非易事，因为存在多种解释，不一定直接指向引力子的存在。探测引力子的过程与历史上对光量子化的探测过程类似，都经历了漫长的过程，这说明证明引力量子化也会面临挑战。
探测引力子之所以困难，是因为引力非常弱，需要巨大的质量才能显著扭曲时空并产生明显的引力吸引。而电磁力比引力强得多，更容易被探测到。研究力的一个方法是扰动物体，然后观察由此产生的向外传播的涟漪，例如扰动带电粒子会产生光波，扰动大质量物体则会发出引力波。探测单个引力子比探测引力波更难，就像在海浪中注意到单个分子的影响一样。
LIGO的成功探测引力波和量子技术的进步使得探测引力子变得相对容易一些。物理学家Freeman Dyson曾计算过，在一个地球大小的探测器中，在太阳50亿年的寿命中，可能只会观测到太阳发出的引力子对原子产生的影响四次。但LIGO的成功探测引力波以及量子技术的进步，使得探测引力子变得相对容易一些。
Igor Pekovsky及其合作者提出了一种利用超流氦来探测引力波的新方法。在《自然通讯》杂志上发表的论文中，他们提出了一种新的探测引力子的实验方案，该方案建议冷却一块15公斤重的铍棒到接近绝对零度，使其处于最低能量基态，然后等待来自深空的引力波与其相互作用。虽然单个引力子与铍棒相互作用的概率很低，但引力波包含大量引力子，因此至少一次相互作用的总概率很高。该实验将提供我们对量子引力起作用的第一个窗口，让我们能够深入研究并提出有趣的问题。该实验的主要挑战在于将一个重物置于基态并感知其跃迁到下一个最低能量态。
Matteo Fadel: 新的探测引力子的实验方案看起来可行，并且在几年的研究中可以实现。
Igor Pekovsky: 该实验将提供我们对量子引力起作用的第一个窗口，让我们能够深入研究并提出有趣的问题。半经典理论存在一些问题，例如不守恒能量。如果我想要开始看到量子特性的迹象，我的首要目标不是排除这些病态的东西。
Frank Wilczek: 如果Pekovsky的实验成功，它将把引力子的证据提升到与1905年光子的证据相同水平。
Daniel Carney: 我们对发现这种探测引力子的新方法感到非常兴奋。
Nicholas Rodd: 对引力子探测的假设需要进行100%的快速修正，这是一个纯粹的科学时刻。
Alex Sushkov: Pekovsky的实验方案很有趣，它可以激励更多的实验物理学家从事量子引力研究。我们需要突破，需要聪明的人才朝这个方向努力。
Myung-Chik Kim: Pekovsky的实验方案是一个起点，它可以激励后续的实验，从而使物理学家更深入地研究量子引力。
Deep Dive
The prevailing belief is that detecting gravitons is nearly impossible due to their extremely weak interaction. However, a new proposal suggests a feasible experiment using existing technology, potentially revolutionizing our understanding of gravity as a quantum force.
- Conventional wisdom deemed graviton detection impossible due to its weakness.
- A new proposal suggests a lab-scale experiment to detect gravitons or related quantum events.
- Successful detection would confirm gravity's quantum nature, aligning with the behavior of other fundamental forces.
Shownotes Transcript