“引力子”真的存在嗎？凝聚態(tài)物理找到“替身”

作者 | 羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所 研究員

大家聽過萬有引力和廣義相對論，也或許知道量子力學(xué)。但是，你知道什么是“引力子”嗎？最近，南京大學(xué)科研團(tuán)隊宣稱發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”（研究發(fā)表在3月28日的《自然》雜志）。那么，這個引力子究竟是個什么粒子？分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，又是什么意思呢？今天我們一起聊聊凝聚態(tài)物質(zhì)里的“引力子”。

物理學(xué)家們總是有一個“天下大一統(tǒng)”的夢想，希望宇宙萬物的運(yùn)行規(guī)律可以是“極簡模式”，“簡單”到或許只需要用一個方程就可以描述。但問題是，描述浩渺無垠的宇宙通常需要用到廣義相對論，而描述微觀的粒子則需要量子物理學(xué)，兩者涉及的時間、空間和能量尺度都差了N個數(shù)量級。這意味著，廣義相對論和量子物理學(xué)都看似“風(fēng)牛馬不相及”，要統(tǒng)一何其困難。1939年，量子引力理論的出現(xiàn)，為大統(tǒng)一物理學(xué)提供了一條可行的思路，其核心的思想就是需要存在一個叫“引力子”的粒子。

什么是“引力子”呢？我們簡單和電磁相互作用來對比，我們知道電和磁的相互作用是因為電磁場的存在，而電磁場的擾動會發(fā)射電磁波，光就是一種再普通不過的電磁波。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從量子物理角度描述電磁相互作用，只需要找到傳遞能量的量子并數(shù)數(shù)就行，這個電磁波的量子就是“光子”。光子有特定的頻率，代表它擁有的能量單元，描述電磁相互作用就是數(shù)這些能量單元有哪些、有幾個、去哪兒了，是不是很方便？愛因斯坦在建立廣義相對論之初，就預(yù)言了引力波的存在，他認(rèn)為引力場對應(yīng)于時空的幾何結(jié)構(gòu)，如果給時空投下一枚小石子，它也會造成水波那樣向外擴(kuò)散的“漣漪”，這就是引力波。量子引力理論告訴我們，正如電磁波的能量量子是光子一樣，引力波的能量量子就是“引力子”。

引力子的理論看起來很完美，也是其他物理理論的基礎(chǔ)，比如超弦理論的升級版——超膜理論里引力子占據(jù)核心地位，又比如暗物質(zhì)有可能就是有質(zhì)量的引力子組成。但是，科學(xué)家找了很多年，始終沒有在實(shí)驗上觀測到“引力子”的跡象。相比之下，引力波早已在2016年初就宣布被發(fā)現(xiàn)，并很快在2017年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

測量引力子的挑戰(zhàn)有很多，最主要的原因是它的能量極低，相對于宇宙里那些黑洞、中子星、超新星事件的能量尺度而言，引力子的能量簡直微不足道。要想探測引力子，可能相當(dāng)于在遙遠(yuǎn)的星球上跺跺腳，在地球上要測量到，這難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于引力波的測量。

但是，物理學(xué)家除了直接探測粒子本身之外，還有另一個方案，那就是尋找這個粒子的“替身”。發(fā)明這個妙招的是一群凝聚態(tài)物理學(xué)家。組成物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)、玻璃態(tài)、凝膠態(tài)等統(tǒng)統(tǒng)叫做“凝聚態(tài)”，在凝聚態(tài)物質(zhì)里有大量的微觀粒子存在，至少是1023量級以上。這些粒子之間存在許許多多的相互作用，當(dāng)然主要是電和磁相互作用，盡管我們可以寫出每一個粒子運(yùn)動的方程，但卻沒有任何辦法去解1023以上的方程組。于是，物理學(xué)家們構(gòu)造出了一個“準(zhǔn)粒子”的概念，也就是一大群粒子簡化成了一個粒子，這個粒子可以用一個更簡單的方程來描述，跟光子思路一樣，描述固體中復(fù)雜的相互作用，只需要數(shù)一數(shù)這些準(zhǔn)粒子的分布就可以了。舉個例子，原子的熱振動可以傳遞聲音和熱量，所以能量量子叫做“聲子”，就是材料內(nèi)部聲波的量子。而傳遞原子磁矩振動的能量量子呢，就叫做“磁振子”，還有以科學(xué)家名字命名的“外爾費(fèi)米子”、“狄拉克費(fèi)米子”、“馬約拉納費(fèi)米子”等等。

這些粒子之所以能被這么稱呼，是因為它們從本質(zhì)上來看就滿足基本粒子理論里的外爾方程、狄拉克方程和馬約拉納方程，至少從形式上來看是沒有區(qū)別的。

講到這里，你或許猜到了，我們通常說的各種微觀粒子，不管是已知的還是未知的，在凝聚態(tài)物質(zhì)里的準(zhǔn)粒子們都可以想著法子變成它們的“替身”。引力子也不例外，在十年前左右，諾貝爾獎獲得者霍爾丹就提出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中可能存在著類似引力子的準(zhǔn)粒子激發(fā)，也被稱為“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”。所謂分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，就是把一群電子受限在二維空間里，比如夾在兩個半導(dǎo)體之間。在施加強(qiáng)磁場和極低溫情況下，這些電子集體之間的庫侖相互作用形成一系列新的量子態(tài)，對應(yīng)的準(zhǔn)粒子的電荷不再是以元電荷為最小單元，而是分?jǐn)?shù)化的，比如三分之一個元電荷。這個系統(tǒng)的準(zhǔn)粒子還有很多形式，霍爾丹認(rèn)為其中一種就和量子引力理論提出的“引力子”很像。

判斷一個準(zhǔn)粒子是不是另一種粒子的“替身”，我們要給他們倆“做體檢”，類似于查身高、體重、聲紋、指紋等，可以比較兩者的質(zhì)量、自旋、電荷、手性等?；魻柕ふJ(rèn)為的“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”，就和量子引力預(yù)言的引力子一樣具有自旋為2且存在手性等特征，這里說的自旋和手性說的是它的內(nèi)稟磁矩，就像自我旋轉(zhuǎn)一樣，而且有特定方向，比如只有符合右手螺旋規(guī)則。

南京大學(xué)團(tuán)隊探測到的“引力子”，是在砷化鎵量子阱里發(fā)現(xiàn)的。這個實(shí)驗挑戰(zhàn)難度非常大，一方面溫度要在非常接近絕對零度的10 mK （即-273.14℃）和10 T的極強(qiáng)磁場下才有該效應(yīng)；另一方面測量過程要用到圓偏振可見光，就不可避免會遇到透明窗口漏熱的問題；而且，引力子形式的準(zhǔn)粒子能量極低（大約70 GHz），幾乎是非彈性拉曼散射實(shí)驗的極限。但這一系列的挑戰(zhàn)最終取得了成功，從各種實(shí)驗證據(jù)來看，都非常吻合霍爾丹預(yù)言的“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”。這說明，凝聚態(tài)物理里有乾坤，還有更多有趣的準(zhǔn)粒子尚待發(fā)現(xiàn)。

固體中的“引力子”準(zhǔn)粒子激發(fā)

但必須說清楚的是，這種“引力子”嚴(yán)格意義上來說是一種“幾何激發(fā)態(tài)”，而不是真正意義上可以自由存在的粒子。也就是說，盡管看起來很像，如果你查“身份證編碼”的話，還會發(fā)現(xiàn)兩者的不同。比如：前者處于二維空間，而且僅僅是空間尺度下的效應(yīng)，后者屬于三維空間，還是時間+空間（即“時空”）的量子化形式。而且，前者需要在一定能量尺度以上才會出現(xiàn)，而后者則屬于極遠(yuǎn)程相互作用，因為引力波跨越了遙遠(yuǎn)的宇宙尺度。

當(dāng)然，這種“引力子”的替身也有它自身的價值。舉例來說，我們借助固體中的一種叫做“極化子”的準(zhǔn)粒子，可以模擬旋轉(zhuǎn)的黑洞?；蛟S，我們借助“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”也能模擬量子引力理論里那些無法做實(shí)驗的內(nèi)容呢？

畢竟，大道至簡，天下大同。物理有很多基本原理，是相通的！

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱：羅會仟

審核：張雙南 中國科學(xué)院高能物理研究所研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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