量子实验终于揭示了难以捉摸的重力粒子

引力子 —— 一种假想的携带重力的粒子 —— 一个多世纪以来一直没有被探测到。但现在物理学家设计了一个实验装置，理论上可以探测到这些微小的量子物体。

就像被称为光子的单个粒子是电磁场的力载体一样，引力场理论上也可以有自己的力载体粒子，称为引力子。

问题是，它们的相互作用非常弱，以至于它们从未被探测到，一些物理学家认为它们永远不会被探测到。

但斯德哥尔摩大学领导的一项新研究更为乐观。该团队描述了一个实验，可以测量他们所谓的“引力声子效应”，并首次捕获单个引力子。

该实验将包括将1800公斤（近4000磅）的巨大铝条冷却到绝对零度以上，将其连接到连续的量子传感器上，耐心等待引力波的到来。当有人这样做时，仪器会在非常小的尺度上振动，传感器可以将其视为能量级别之间的一系列离散步骤。

每一个步骤（或量子跳跃）都标志着探测到一个引力子。

然后，任何潜在的信号都可以与LIGO设施的数据进行交叉核对，以确保它来自引力波事件，而不是背景干扰。

这是一个令人惊讶的优雅实验，但有一个问题：那些敏感的量子传感器实际上还不存在。也就是说，该团队认为，在不久的将来，建造它们应该是可能的。

“我们确信这个实验会成功，”理论物理学家托马斯·贝特尔说，他是这项研究的作者之一。“现在我们知道重子可以被探测到，这就增加了进一步开发适当的量子传感技术的动力。如果运气好的话，很快就能捕获单个引力子。”

在物理学的四种基本力中，引力是我们日常生活中最熟悉的一种，但在许多方面，它仍然是最神秘的。电磁学有光子，弱相互作用有W和Z玻色子，强相互作用有胶子，所以根据一些模型引力应该有引力子。没有它，用量子理论的标准模型来解释引力就会困难得多。

具有讽刺意味的是，这项新实验可能会有所帮助，因为它回到了该领域最早的一些实验。从20世纪60年代开始，物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）试图用固体铝圆柱体来寻找引力波，这些圆柱体悬挂在钢丝上，以使它们与背景噪音隔绝。他们的想法是，如果引力波扫过，它会在圆柱体中引发振动，这些振动会转化为可测量的电信号。

有了这种设置，韦伯坚持他早在1969年就探测到了引力波，但他的结果无法被复制，他的方法后来也受到了质疑。直到LIGO在2015年发现它们，这种现象才被发现。

韦伯并没有专门寻找引力子，但随着他的实验在21世纪的升级，这可能是可能的。低温冷却，以及对噪音和其他振动源的保护，使铝原子尽可能保持静止，因此潜在的信号更清晰。手头有一个确认的引力波探测器也很有帮助。

“LIGO天文台在探测引力波方面做得很好，但它们无法捕获单个引力子，”贝特尔说。“但我们可以利用它们的数据与我们提议的探测器交叉关联，以隔离单个引力子。”

研究人员表示，最有希望的候选者是LIGO探测范围内中子星对撞产生的引力波。在每一个事件中，估计有1 / 10亿个重子（1后面跟着36个0）会穿过铝，但只有少数会被吸收。

最后一块拼图是那些讨厌的量子传感器。值得庆幸的是，该团队认为这项技术并非遥不可及。

“最近已经在材料中观察到量子跃迁，但还没有达到我们需要的质量，”斯德哥尔摩大学物理学家杰曼·托巴尔（Germain Tobar）说，他是这项研究的作者之一。“但技术进步非常迅速，我们有更多的想法让它变得更容易。”

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

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