量子实验终于揭示了难以捉摸的引力粒子

引力子——一种携带引力的假想粒子——一个多世纪以来一直没有被发现。但现在物理学家已经设计了一种实验装置，理论上可以探测这些微小的量子物体。

就像称为光子的单个粒子是电磁场的力载体一样，引力场理论上可以有自己的承载力的粒子，称为引力子。

问题是，它们的相互作用非常微弱，以至于从未被检测到，一些物理学家认为它们永远不会被发现。

但是新研究以斯德哥尔摩大学为首的，则更为乐观。该团队描述了一项实验，该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。

该实验将涉及将一根重达 1,800 公斤（近 4,000 磅）的巨大铝棒冷却至绝对零度以上的一根头发，将其连接到连续的量子传感器，并耐心等待引力波来冲刷它。当一个人这样做时，仪器会以非常小的尺度振动，传感器可以将其视为能级之间的一系列离散步骤。

这些步骤（或量子跳跃）中的每一个都将标记对单个引力子的探测。

然后，可以将任何潜在信号与来自LIGO 设施确保它来自引力波事件，而不是背景干扰。

这是一个出乎意料的优雅实验，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应该可以构建它们。

“我们确信这个实验会奏效，”理论物理学家托马斯·贝特尔 （Thomas Beitel） 说，该研究的作者。“既然我们知道可以检测到引力子，那么进一步开发适当的量子传感技术就有了额外的动力。运气好的话，很快就能捕获单个引力子了。

的物理学的四种基本力，引力是我们每天最熟悉的引力，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，而强相互作用有胶子，所以根据一些模型引力应该有引力子。没有它，让 Gravity 与标准型号量子理论。

具有讽刺意味的是，这个新实验可能会有所帮助，因为它可以回到该领域最早的一些实验。从 1960 年代开始，物理学家约瑟夫·韦伯尝试查找引力波使用实心铝制圆柱体，这些圆柱体悬挂在钢丝上，以将它们与背景噪音隔离开来。这个想法是，如果引力波席卷而过，它会在圆柱体中引发振动，这些振动将被转换为可测量的电信号。

通过这种设置，韦伯坚称他早在 1969 年就探测到了引力波，但他的结果无法复制，他的方法后来被推翻了。这种现象将一直未被发现，直到LIGO 在 2015 年找到了他们.

韦伯并不是专门寻找引力子，但随着 21 世纪对他的实验进行升级，这可能是可能的。低温冷却以及防止噪音和其他振动源，使铝原子尽可能保持静止，因此潜在信号更清晰。手头有一个经过验证的引力波探测器也很有帮助。

“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，”说 Beitel.“但我们可以使用他们的数据与我们提议的探测器进行交叉关联，以分离单个引力子。”

研究人员表示，最有希望的候选者是成对的中子星，在 LIGO 的探测范围内。对于每个事件，估计有 1 个十分万位引力子（即 1 后跟 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，该团队相信技术并非遥不可及。

“最近在材料中观察到量子跃迁，但尚未达到我们需要的质量。”说斯德哥尔摩大学物理学家 Germain Tobar 是该研究的作者之一。“但技术进步非常迅速，我们对如何让它变得更容易有更多的想法。”

该研究发表在杂志上自然通讯.

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