新研究提出了一种捕获物理学家最想要的粒子——引力子的方法

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史蒂文斯大学教授伊戈尔·皮科夫斯基 (Igor Pikovski) 领导的团队刚刚概述了如何探测单个引力子（引力被认为是引力的量子组成部分），他们表示，在不久的将来，利用量子技术应该可以实现这一实验。
“这是一项长期以来被认为不可能完成的基础实验，但我们认为我们已经找到了方法来实现它，”史蒂文斯物理学教授、斯德哥尔摩大学教授伊戈尔·皮科夫斯基 (Igor Pikovski) 说。
皮科夫斯基带领一支由一年级研究生 Germain Tobar、Thomas Beitel 和博士后研究员 Sreenath Manikandan 组成的团队。他们关于“利用量子传感探测单个引力子”的研究成果发表在《自然通讯》上。
构成宇宙结构的难以捉摸的粒子
引力就是这么起作用。物体会下落，行星会相互绕转。一百多年前，爱因斯坦彻底改变了我们对引力的理解，将其解释为空间和时间的变化。许多以前无法想象的引力效应现已得到证实：时间膨胀、引力波或黑洞。
但引力还有另一个特殊之处：到目前为止，我们只看到了它的“经典”版本，而所有其他力都可以通过量子理论来解释。物理学的圣杯之一一直是将引力与量子力学联系起来，但这个问题仍未解决。在任何引力的量子理论中，我们都期望出现某些单个不可分割的粒子。
物理学家将这些难以捉摸的粒子命名为引力子——把它们视为引力的组成部分，就像原子是物质的组成部分一样。理论上，黑洞碰撞等巨大宇宙事件中经常穿过地球的引力波是由大量引力子组成的。
像 LIGO 这样令人印象深刻的大型探测器现在可以证实这种引力波的存在。然而，历史上从未探测过引力子；甚至发现引力子的想法长期以来都被认为是不可能的。
然而，这种情况可能刚刚发生了改变。
Pikovski 的团队提出了一种解决方案，即结合现有的物理检测技术（一种称为声学谐振器的东西，基本上是一个重型圆柱体），并为其配备改进的能量状态检测方法（也称为量子传感）。
“我们的解决方案类似于光电效应，正是光电效应引领爱因斯坦提出光的量子理论，”皮科夫斯基解释道，“只是用引力波取代了电磁波。关键在于，物质和波之间的能量交换只以离散的步骤进行——单个引力子被吸收和发射。”
但是如何检测它们呢？
“我们需要冷却材料，然后监测能量如何一步步变化，这可以通过量子传感实现，”斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的博士后研究员 Manikandan 说。
“通过观察材料中的量子跃迁，我们可以推断出引力子被吸收了，”托巴尔补充道，他现在是斯德哥尔摩大学的研究生。“我们称之为‘引力声子效应’。”
该团队提出的创新之一是利用 LIGO 提供的现有数据。LIGO 是美国一座拥有两座设施的天文台，最近证实了引力波的存在。
“LIGO 天文台非常擅长探测引力波，但它们无法捕捉单个引力子，”史蒂文斯博士生贝特尔指出。“但我们可以利用它们的数据与我们提出的探测器进行互相关，以分离单个引力子。”
宇宙碰撞、重型圆柱体、量子传感器
皮科夫斯基的团队是如何设计出这个巧妙的实验的？他们运用了大量的数学知识和创造力，此外还得益于近期科技进步的巨大帮助。
“多年来，许多物理学家都思考过这个问题，但答案始终如一：这是不可能的，”皮科夫斯基说。“无法想象超越几个原子的量子实验，它们几乎根本不与引力子相互作用。”
但游戏规则已经改变：科学家最近开始在宏观物体中创造和观察量子效应。皮科夫斯基意识到这些宏观量子物体非常适合观察单个引力子特征：它们与引力的相互作用更强，我们可以检测到这些物体如何以离散步骤吸收和释放能量。
研究团队开始思考一个可能的实验。他们利用之前在地球上测量到的引力波数据，比如 2017 年两颗曼哈顿大小（但密度极高）的遥远中子星碰撞产生的引力波，计算出可以优化单个引力子吸收概率的参数。
“事实证明，这种测量是可以做到的，”Manikandan 说，“比如，通过使用类似于韦伯尺的装置。”
韦伯棒是一种厚重（可达一吨）的圆柱形棒，以其发明者、新泽西州人约瑟夫·韦伯的名字命名。随着光学检测技术的普及，韦伯棒最近已不再使用，但它们实际上非常适合物理学家的引力子搜寻探险。
这是因为它们可以吸收和发射引力子——与爱因斯坦创造的光子（光的最小组成部分）的“受激发射和吸收”直接类似。
新设计的量子探测器将被冷却到最低能量，然后通过引力波的通过使其产生非常轻微的振动。超灵敏的能量传感器理论上可以捕捉到这些振动如何以离散步骤发生变化。每个离散变化（也称为量子跃迁）都表示一个引力子事件。
当然，捕捉引力子也有一个问题。必要的传感技术尚未出现。
托巴尔指出：“最近在材料中观察到了量子跃迁，但尚未达到我们所需的质量。但技术进步非常迅速，我们对如何让量子跃迁变得更容易也有更多的想法。”
“我们确信这个实验会成功，”托马斯兴奋地说道。“现在我们知道引力子可以被探测到，这为进一步开发适当的量子传感技术增添了动力。如果运气好的话，很快就能捕获单个引力子。”
虽然新量子技术至关重要，但这一结果的灵感却来自其他地方。“我们知道量子引力仍未解决，而且很难全面测试它，”皮科夫斯基说，“但我们现在可以迈出第一步，就像一百多年前科学家对光量子所做的那样。”