新實驗有望破解物理學引力子這一重大謎團

重力一直是一個可靠的常量。蘋果下落，行星繞軌道運行，宇宙在這種力量的引導下有序運行。一個多世紀以前，阿爾伯特·愛因斯坦改變了我們對重力的理解，將其描述爲時空的扭曲。但與其他力不同，重力在量子世界中仍然是一個謎。

物理學家們長期以來一直認爲，在最基本的層面上，重力是由被稱爲引力子的微小粒子攜帶的，就像光子攜帶電磁能一樣。然而，這些粒子從未被觀測到——有些人認爲它們可能永遠也找不到。

由伊戈爾·皮科夫斯基教授及其在史蒂文斯理工學院的團隊領導的一項新研究表明，這種情況可能很快就會改變。研究人員提議使用下一代量子傳感器來檢測單個引力子。這樣的壯舉可以將重力與量子力學聯繫起來，並解決標準物理模型中的最大的漏洞之一。他們聲稱，這個實驗不再是一個遙遠的夢想，而是很快就可能成爲現實。

“這是一個長期性實驗，一直以來被認爲不可能，但我們覺得已經找到了實現它的方法，”皮科夫斯基說。

幾十年來，物理學家一直試圖將引力與量子力學聯繫起來，量子力學是描述最小尺度上粒子奇怪行爲的理論。所有其他的基本力都已在量子理論下成功實現統一，然而引力卻仍然是個例外。如果引力子存在，它們將是引力的量子組成部分，類似於光子是光的量子載體。

然而，探測引力子一直是一個無法克服的挑戰。當前技術能夠觀測引力波——由黑洞碰撞等大規模宇宙事件引起的時空漣漪。然而，這些探測器在探測單個引力子時卻力不從心，儘管典型引力波中引力子的數量估計高達驚人的 10（1 後面跟 36 個 0）。

皮科夫斯基的團隊認爲，他們通過把聲學諧振器與複雜的量子傳感技術相結合，找到了一個解決方案。這種諧振器會放大波（通常是聲波）。這種設置可以檢測到單個引力子與諧振器相互作用引起的微小能量變化。這個概念類似於助力愛因斯坦的光電效應，只不過用的是引力波而非電磁波。

在擬議的實驗中，一個有趣的轉折涉及重新發現一項舊技術——韋伯棒。以約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）命名，他於 20 世紀 60 年代率先使用它們來探測引力波，隨着更復雜的光學探測器的出現，這些沉重的圓柱形棒不再受青睞。然而，韋伯棒非常適合探測單個引力子。它們能夠以一種類似於光子“受激發射和吸收”的方式吸收和發射引力子，這一概念最初由愛因斯坦提出。

爲了探測引力子，該實驗需要將類似韋伯棒的諧振器冷卻至接近絕對零度，並觀察能量的任何變化。諧振器必須儘可能地冷卻，從而將設備與外部噪聲隔離。高度敏感的量子傳感器隨後可以檢測到這些振動的微小變化。

每一個離散的變化，或者說量子躍遷，都可能意味着單個引力子的吸收或發射——他們把這種現象稱作“引力聲子效應”。引力的吸收和發射與光子的“受激發射和吸收”類似，這一概念最初由愛因斯坦提出。

雖然實驗仍處於理論階段，不過研究人員很樂觀。他們建議，使用來自 LIGO 的數據或許有助於探測這些微妙的量子事件。這個想法是將引力波數據與擬議探測器的信號交叉參考，以隔離可能表明單個引力子的事件。

儘管這種新方法大有前景，但仍存在重大障礙。這種敏感實驗所需要的量子傳感器當下還未出現。然而，近年來的技術進步讓我們有希望這些傳感器很快就能被研發出來。

探測到單個引力子將是物理學上的一項重大成就之一，爲量子引力理論提供首個實驗證據。這將在愛因斯坦的廣義相對論（將引力描述爲時空的彎曲）和支配粒子與力的微觀世界的量子力學之間架起一座重要的橋樑。

目前，我們對於引力的理解和量子力學的原理不一致，這是現代物理學中的一個基本矛盾。探測到引力子將有助於鞏固引力像光一樣具有量子性質的觀點，有可能爲超越我們當前理論的新物理學打開大門。

“我們確信這個實驗會成功，”皮科夫斯基實驗室的一年級研究生托馬斯·貝特爾說。“既然我們知道引力子可以被探測到，這就爲進一步開發適當的量子傳感技術增添了動力。要是運氣好，很快就能捕捉到單個引力子。”

這些研究發現刊登於《自然通訊》雜誌。

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