量子實(shí)驗(yàn)終于揭示了難以捉摸的引力粒子

引力子——一種攜帶引力的假想粒子——一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。但現(xiàn)在物理學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，理論上可以探測(cè)這些微小的量子物體。

就像稱為光子的單個(gè)粒子是電磁場(chǎng)的力載體一樣，引力場(chǎng)理論上可以有自己的承載力的粒子，稱為引力子。

問(wèn)題是，它們的相互作用非常微弱，以至于從未被檢測(cè)到，一些物理學(xué)家認(rèn)為它們永遠(yuǎn)不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

但是新研究以斯德哥爾摩大學(xué)為首的，則更為樂(lè)觀。該團(tuán)隊(duì)描述了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量他們所謂的“引力-聲子效應(yīng)”，并首次捕獲單個(gè)引力子。

該實(shí)驗(yàn)將涉及將一根重達(dá) 1,800 公斤（近 4,000 磅）的巨大鋁棒冷卻至絕對(duì)零度以上的一根頭發(fā)，將其連接到連續(xù)的量子傳感器，并耐心等待引力波來(lái)沖刷它。當(dāng)一個(gè)人這樣做時(shí)，儀器會(huì)以非常小的尺度振動(dòng)，傳感器可以將其視為能級(jí)之間的一系列離散步驟。

這些步驟（或量子跳躍）中的每一個(gè)都將標(biāo)記對(duì)單個(gè)引力子的探測(cè)。

然后，可以將任何潛在信號(hào)與來(lái)自LIGO 設(shè)施確保它來(lái)自引力波事件，而不是背景干擾。

這是一個(gè)出乎意料的優(yōu)雅實(shí)驗(yàn)，但有一個(gè)問(wèn)題：那些敏感的量子傳感器實(shí)際上還不存在。也就是說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在不久的將來(lái)應(yīng)該可以構(gòu)建它們。

“我們確信這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)奏效，”理論物理學(xué)家托馬斯·貝特爾 （Thomas Beitel） 說(shuō)，該研究的作者?！凹热晃覀冎揽梢詸z測(cè)到引力子，那么進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適當(dāng)?shù)牧孔觽鞲屑夹g(shù)就有了額外的動(dòng)力。運(yùn)氣好的話，很快就能捕獲單個(gè)引力子了。

的物理學(xué)的四種基本力，引力是我們每天最熟悉的引力，但在許多方面它仍然是最神秘的。電磁學(xué)有光子，弱相互作用有 W 和 Z玻 色子，而強(qiáng)相互作用有膠子，所以根據(jù)一些模型引力應(yīng)該有引力子。沒(méi)有它，讓 Gravity 與標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)量子理論。

具有諷刺意味的是，這個(gè)新實(shí)驗(yàn)可能會(huì)有所幫助，因?yàn)樗梢曰氐皆擃I(lǐng)域最早的一些實(shí)驗(yàn)。從 1960 年代開(kāi)始，物理學(xué)家約瑟夫·韋伯嘗試查找引力波使用實(shí)心鋁制圓柱體，這些圓柱體懸掛在鋼絲上，以將它們與背景噪音隔離開(kāi)來(lái)。這個(gè)想法是，如果引力波席卷而過(guò)，它會(huì)在圓柱體中引發(fā)振動(dòng)，這些振動(dòng)將被轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。

通過(guò)這種設(shè)置，韋伯堅(jiān)稱他早在 1969 年就探測(cè)到了引力波，但他的結(jié)果無(wú)法復(fù)制，他的方法后來(lái)被推翻了。這種現(xiàn)象將一直未被發(fā)現(xiàn)，直到LIGO 在 2015 年找到了他們.

韋伯并不是專門尋找引力子，但隨著 21 世紀(jì)對(duì)他的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)，這可能是可能的。低溫冷卻以及防止噪音和其他振動(dòng)源，使鋁原子盡可能保持靜止，因此潛在信號(hào)更清晰。手頭有一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的引力波探測(cè)器也很有幫助。

“LIGO 天文臺(tái)非常擅長(zhǎng)探測(cè)引力波，但它們無(wú)法捕捉單個(gè)引力子，”說(shuō) Beitel.“但我們可以使用他們的數(shù)據(jù)與我們提議的探測(cè)器進(jìn)行交叉關(guān)聯(lián)，以分離單個(gè)引力子?！?/p>

研究人員表示，最有希望的候選者是成對(duì)的中子星，在 LIGO 的探測(cè)范圍內(nèi)。對(duì)于每個(gè)事件，估計(jì)有 1 個(gè)十分萬(wàn)位引力子（即 1 后跟 36 個(gè) 0）會(huì)穿過(guò)鋁，但只有少數(shù)會(huì)被吸收。

最后一塊拼圖是那些討厭的量子傳感器。值得慶幸的是，該團(tuán)隊(duì)相信技術(shù)并非遙不可及。

“最近在材料中觀察到量子躍遷，但尚未達(dá)到我們需要的質(zhì)量?！?a>說(shuō)斯德哥爾摩大學(xué)物理學(xué)家 Germain Tobar 是該研究的作者之一?！暗夹g(shù)進(jìn)步非常迅速，我們對(duì)如何讓它變得更容易有更多的想法?！?/p>

該研究發(fā)表在雜志上自然通訊.

寶寶起名