It Might Be Possible to Detect Gravitons After All
20:28 Share

一项新的实验提案表明，探测引力粒子比任何人想象的都要容易得多。现在，物理学家们正在争论这究竟能证明什么。 这篇文章“探测引力子可能是可能的”最初发表在Quanta Magazine上</context> <raw_text>0 欢迎收听Quantascience播客。每一期节目，我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。一项新的实验提案表明，探测引力粒子比任何人想象的都要容易得多。现在，物理学家们正在争论这究竟能证明什么。接下来就是这个话题。

量子杂志是一个编辑独立的在线出版物，由西蒙斯基金会支持，以增强公众对科学的理解。

探测引力子（被认为携带引力的假设粒子）是终极的物理实验。但传统观点认为这是不可能的。根据一项著名的估计，一个绕太阳运行的地球大小的装置可能每十亿年才能探测到一个引力子。

另一项计算表明，要想在十年内捕捉到一个引力子，就必须将一个木星大小的机器停放在一颗中子星旁边。简而言之，这是不可能发生的。

一项新的提案推翻了传统观点。通过将对时空涟漪（称为引力波）的现代理解与量子技术的进步相结合，一群物理学家设计了一种新的探测引力子（或至少与引力子密切相关的量子事件）的方法。这项实验仍然是一项艰巨的任务，但它可以安装在一个适中的实验室空间内，并在一个职业生涯的时间跨度内完成。

马特奥·法德尔是瑞士联邦理工学院的一名实验学家，他没有参与这项提案。它看起来并不太疯狂，所以这是在几年的研究中就能达到的目标。目前，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论将引力归因于时空结构中的平滑曲线。

但是，对引力子的确凿探测将证明引力以量子粒子的形式出现，就像电磁力和其它基本力一样。大多数物理学家认为引力确实具有量子方面，他们花了近一个世纪的时间努力确定其量子规则。捕捉到引力子将证实他们走在正确的道路上。

但是，即使实验相对简单，对探测究竟能证明什么的解释却并非如此。对阳性结果的最简单解释是引力子的存在，但物理学家已经找到了完全不参考引力子就能解释这种结果的方法。这场讨论让人想起量子时代初期一段混乱、 largely forgotten 的插曲。

1905年，爱因斯坦解释实验数据意味着光是被量化的，以现在称为光子的离散粒子出现。其他人，包括尼尔斯·玻尔和马克斯·普朗克，认为光的经典波动性质可能仍然可以保留。物理学家花了七十年时间才无可辩驳地证明光是被量化的，这很大程度上是因为量子性的微妙性。

大多数物理学家认为，世界上的万物都是量化的，包括引力。证明这一假设将需要一场新的战争，这场战争才刚刚开始。很难通过实验探测引力，因为引力非常弱。你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。

相比之下，一张信用卡大小的磁铁就能吸附在你的冰箱上。电磁力并非一种微妙的力。

研究这些力的一种方法是扰动一个物体，然后观察由此产生的向外传播的涟漪。摇动带电粒子，它会产生光波。扰动一个大质量物体，它会发出引力波。我们用眼睛捕捉光波，但引力波是另一回事。

花了数十年的努力和建造了巨大的、数英里长的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器，才在2015年首次感知到时空中的震动。这种震动是由遥远的黑洞碰撞发出的。探测单个引力子将更加困难，就像注意到海浪中只有一个分子的影响一样。

这有多难？在2012年的一次演讲中，杰出的物理学家弗里曼·戴森考虑了来自太阳的引力波，在那里，恒星内部物质的剧烈翻腾应该不断地向外发出轻微的时空震动。偶尔，这些涟漪中的一个引力子会撞击探测器中的一个原子，并将电子踢到更高的能级。

戴森计算出，在一个像地球一样大的探测器中，运行50亿年的太阳寿命，这种效应可能只会被看到四次。

自从戴森发表评论以来的十几年里，两项实验进展使情况不那么严峻了。首先，LIGO开始定期探测来自黑洞碰撞的引力波，偶尔也探测来自中子星碰撞的引力波。这些事件比太阳内部的扰动更剧烈地撼动时空，提供了大量的引力子，而不是戴森所说的涓涓细流。

其次，实验人员在激发和测量量子现象方面变得更加熟练。伊戈尔·佩科夫斯基是一位理论物理学家，现在就职于新泽西州史蒂文斯理工学院。自2016年以来，他一直在思考这些发展。

当时，他和三位合作者注意到，一个超流氦容器（尽管质量很大，但仍显示出量子特性）可以被设置为对某些引力波产生共振。

从引力波探测器到单个引力子探测器，还需要一个概念上的飞跃。在最近发表在2024年8月《自然通讯》杂志上的论文中，佩科夫斯基和他的合著者概述了引力子探测器的工作原理。

首先，取一根15公斤重的铍棒或其他材料，将其冷却到接近绝对零度，即可能的最低温度。所有热量都被消耗掉，棒将处于其最低能量基态。棒的所有原子将作为一个量子系统一起作用，类似于一个庞大的原子。然后，等待来自深空的引力波经过。

任何特定引力子与铍棒相互作用的几率都很低，但波将包含如此多的引力子，以至于至少一次相互作用的总几率很高。

该小组计算出，大约三分之一的正确类型的引力波会使棒以一个量子单位的能量振动。如果你的棒与LIGO证实的引力波一起振动，你将见证由引力引起的量子事件。以下是理论物理学家伊戈尔·佩科夫斯基的观点。我认为最有趣的是，这将是我们第一次了解量子引力起作用的地方。

就像它在那里起作用一样，所以我们将能够放大并提出有趣的问题。在打开这扇窗户所涉及的少数工程障碍中，最高的是将一个重物置于其基态并感知它跳到其下一个最低能态。推动这方面技术发展的一个小组是苏黎世联邦理工学院，法德尔和他的合作者在那里将微小的蓝宝石晶体冷却，直到它们显示出量子特性。

2023年，该团队成功地将一个晶体同时置于两种状态，这是量子系统的另一个标志。它的质量为1600万分之一克，对于量子物体来说很重，但仍然比佩科夫斯基的棒轻5亿倍。尽管如此，菲德尔认为这项提案是可以实现的。

佩科夫斯基的实验，就像戴森的实验一样，模拟了促使爱因斯坦在1905年提出光是被量化的实验，这是量子力学历史上一个具有里程碑意义的时刻。麻省理工学院诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克说，如果这项实验得以进行，它将使引力子的论证达到1905年光子论证的水平。

教科书经常将爱因斯坦的论文归功于确立了光子的存在，但真实的故事远比这有趣。当时，许多物理学家拒绝了爱因斯坦的理论。有些人花了二十年的时间才转变观念。在他们看来，这项实验远未达到确凿的证据。相反，它是在一场为确定光线真实性质而进行的持续数十年的战争中提出的开场论点。

物理学家在19世纪末的最后几年看到了他们对现实的经典理解开始出现裂痕。J.J.汤姆逊发现电流以称为电子的离散电荷块出现。与此同时，物理学家们正在苦思海因里希·赫兹和其他人进行的一系列实验，这些实验使用光线产生电流，这种现象被称为光电效应。

难题是，当他们将微弱的光束照射到金属板上时，有时会产生电流，有时则不会。在量子世界之前，这很难解释。人们认为任何波都应该产生至少微弱的电流，而更亮的波应该产生更大的电流。相反，物理学家发现有一种特殊颜色的光，一种频率，可以使电流流动。

只有这种频率或更高频率的波才能启动电流。亮度与之关系不大。爱因斯坦在1905年提出了一种解决方案。光波是由许多称为量子的离散单元组成的，每个单元的能量都与波的频率有关。波的频率越高，其量子能量越高，波越亮，量子就越多。

如果你试图用低频红光在金属板上启动电流，你将不会比试图用乒乓球击倒冰箱更成功。无论多少数量都不够。但是使用更高频率的蓝光就像改用巨石一样。每个单元都有足够的能量来激发电子，即使是在光线微弱、数量很少的情况下也是如此。

爱因斯坦的理论受到了怀疑。物理学家强烈捍卫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦当时40年前的光作为电磁波的理论。他们已经看到光线发生折射、衍射以及波所做的一切事情。它怎么可能由粒子组成呢？

即使爱因斯坦因其光电效应理论获得了1921年诺贝尔物理学奖，物理学家之间的争论仍在继续。这种效应表明某些东西是被量化的，否则就不会需要最低阈值来使电子流动。但一些物理学家，包括被认为是量子理论创始人之一的尼尔斯·玻尔，继续探索只有物质被量化，而光不被量化的可能性。

今天，这种类型的理论被称为半经典理论，因为它描述了经典场与量化物质的相互作用。要了解半经典理论如何解释光电效应，想象一下荡秋千的孩子。

他们有点像金属中的电子。他们有一个基态，不摆动，还有一个激发态，摆动。经典波就像给孩子一系列推力。如果推力以某种随机频率出现，则不会发生任何事情。孩子可能会四处弹跳一下，但他们基本上会保持在基态。

只有当你以正确的频率（秋千的共振频率）推动时，孩子才会积累能量并开始摆动。金属中的电子有点不同。它们与整个连续频带产生共振，而不仅仅是一个。但结果是一样的。任何低于该频带的波都不会产生任何作用，而任何在该频带内的波都会激发电子并使电流流动。

爱因斯坦最终得到了证实，但这不仅仅是因为光电效应。后来的实验将电子和光子像弹丸一样碰撞，发现动量也以块状出现。这项研究最终排除了主要的替代方案，即玻尔及其合作者提出的光和物质的半经典理论。

1925年，玻尔看到数据后，同意尽可能体面地为我们的革命性努力举行葬礼，并将光纳入量子领域。光量子被称为光子。1925年之后，几乎没有人怀疑光子，但如果物理学家不是一丝不苟的话，他们什么都不是。仅仅因为没有人能想到一个可行的半经典理论并不意味着不存在这样的理论。

光子真实存在的最终证明出现在20世纪70年代后期，当时量子光学研究人员表明，光到达探测器的模式是任何半经典理论都无法模仿的。这些实验类似于每秒发射一次光子枪，并确认探测器每秒响应一次。光子战争以呜咽声结束。

2023年8月，劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家丹尼尔·卡尼及其合作者打响了新战争的第一枪。当卡尼的同事尼古拉斯·罗德对探测引力子的可能方法有了与佩科夫斯基相似的见解时，战争就开始了。我们非常兴奋。我的意思是，我们就像，“哦，我的上帝，就是这样。不。”

基尔尼和他的合作者深入研究了文献，他们发现了光子的混乱历史，以及20世纪70年代量子光学研究人员为消除最终漏洞所做的努力。他们将这些更严格的测试转化为引力背景，并发现戴森是对的。

真正通过一个接一个地探测单个引力子来证明量子性，而不是像佩科夫斯基的提案那样从海啸中挑选出一个引力子，确实需要行星级的机器。以下是卡迪的观点。这有点像一个非常纯粹的科学时刻，因为不得不以100%的速度快速修改你的假设真是太疯狂了。

但这太酷了，因为它就像，“哦，我的上帝，我觉得我从这个过程中真正理解了关于自然的一些深刻的东西。”现在，引力子追逐者发现自己处于一个奇怪的境地。在主要事实方面，每个人都达成了共识。首先，探测由引力波引发的量子事件令人惊讶地是可能的。其次，这样做并不能明确证明引力波是被量化的。

卡尼和两位合著者实际上在2024年2月的《物理评论D》杂志上分析了这种类型的实验。我能制造出一种会产生相同信号的经典引力波吗？答案是肯定的。物理学家从实验中能学到多少东西各不相同。对一些人来说，这将强烈暗示引力是一种量子力，因为另一种选择，即引力和物质的半经典理论，在其他方面不受欢迎。

例如，这种理论违反了能量守恒定律。如果铍棒获得一个量子能量，那么能量守恒要求引力波必须损失一个量子能量，因此它也必须被量化。半经典理论通过牺牲这一受人尊敬的原理来保存引力的经典性。以下是理论物理学家伊戈尔·佩科夫斯基的观点。所以这些模型的一个问题是它们非常病态。

所以你可以写下来，但它们不像正常的经典物理学那样推导出来。它们很奇怪。它们不守恒能量。你知道，在深层次上，我们不知道。也许这就是自然运作的方式。这当然很有趣，值得测试。

但这不会是我的首要目标。就像如果我只想开始看到量子性的特征，那么排除这些病态的东西就不是我的首要目标。但对于像哈尼这样的物理学家来说，仅仅强烈暗示引力是量化的并没有那么有信息量。他说，我们已经有大量强有力的证据表明现实中的所有事物都是量化的。需要的是证据。

例如，那些能够消除剩余漏洞的实验，无论它们看起来多么奇怪。我们如此偏见地认为一切都是量子的，所以你真的应该更像律师一样去做，比如，“如果这是另一回事呢？”虽然佩科夫斯基的提案不是一个消除漏洞的实验，但许多物理学家仍然希望看到它发生。这将标志着实验量子引力时代的开始，直到最近，这似乎还很遥远。

波士顿大学的实验物理学家亚历克斯·苏什科夫称这是一篇令人兴奋的论文。这当然很有趣。它确实给了这个领域的实验人员额外的动力，这很好。我喜欢这篇论文，我对它非常乐观，因为它给了学生、博士后动力去研究这个问题，因为我们需要这个，对吧？这些都是艰难的实验。我们需要突破。

聪明的人才向这个方向发展。或者用伦敦帝国理工学院物理学家金明植的话来说，这是一个起点。它可能会激励随后的实验，这些实验将使物理学家更深入地进入量子引力时代，就像散射实验曾经使他们更深入地进入光子时代一样。物理学家现在知道，量子力学远不止是量子化。

例如，量子系统可以采用称为叠加态的组合，并且它们的各个部分可以以某种方式纠缠在一起，以至于测量一个部分就会揭示关于另一个部分的信息。建立引力表现出这些现象的实验将为量子引力提供更强的证据，研究人员已经在探索进行这些实验需要什么。

所有这些对引力量子方面的测试都不是完全可靠的，但每一个测试都将贡献一些关于宇宙中最弱力的最细微特征的硬数据。现在，一根冰冷的铍量子棒似乎是进行一项实验的主要候选者，这项实验将标志着踏上那条漫长而曲折道路的第一步。

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。要了解更多关于这个故事的信息，请阅读查理·伍德的完整文章《探测引力子可能是可能的》，网址是我们的网站quantumagazine.org。一定要告诉你的朋友们关于Quanta Science播客，并给我们一个积极的评价或关注你收听的地方。这有助于人们找到这个播客。