大家或許聽過萬有引力和廣義相對(duì)論，知道量子力學(xué)，但是大家知道什么是“引力子”嗎？前不久，南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)宣稱發(fā)現(xiàn)了“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(gè)引力子究竟是個(gè)什么粒子？分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)又是什么意思？

物理學(xué)家總是希望宇宙萬物的運(yùn)行規(guī)律可以是“極簡模式”，簡單到或許只需要用一個(gè)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(duì)論，而描述微觀的粒子則需要量子物理學(xué)，兩者涉及的時(shí)間、空間和能量尺度都差了N個(gè)數(shù)量級(jí)。1939年，量子引力理論的出現(xiàn)為物理學(xué)大統(tǒng)一提供了一條可行的思路，其核心的思想就是需要存在一個(gè)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(duì)比，我們知道電和磁的相互作用是因?yàn)殡姶艌龅拇嬖�，而電磁場的擾動(dòng)會(huì)發(fā)射電磁波，光就是一種再普通不過的電磁波�？茖W(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(gè)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(gè)、去哪兒了，是不是很方便？愛因斯坦在建立廣義相對(duì)論之初，就預(yù)言了引力波的存在，他認(rèn)為引力場對(duì)應(yīng)于時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，如果給時(shí)空投下一枚小石子，它也會(huì)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(jí)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(yàn)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(jiǎng)。

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(duì)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(gè)方案，那就是尋找這個(gè)粒子的“替身”。發(fā)明這個(gè)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(jí)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(gè)粒子運(yùn)動(dòng)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(gè)“準(zhǔn)粒子”的概念，也就是一大群粒子簡化成了一個(gè)粒子，這個(gè)粒子可以用一個(gè)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(gè)例子，原子的熱振動(dòng)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(dòng)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?yàn)樗鼈儚谋举|(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(jiǎng)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(gè)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(duì)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(gè)元電荷。這個(gè)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(gè)準(zhǔn)粒子是不是另一種粒子的“替身”，我們要給它們倆“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。霍爾丹認(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(duì)探測到的“引力子”，是在砷化鎵量子阱里發(fā)現(xiàn)的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)難度非常大，一方面溫度要在非常接近絕對(duì)零度的10mK （即-273.14℃）和10T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(huì)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70GHz），幾乎是非彈性拉曼散射實(shí)驗(yàn)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(yàn)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)。

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(huì)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(shí)間+空間（即“時(shí)空”）的量子化形式。而且，前者需要在一定能量尺度以上才會(huì)出現(xiàn)，而后者則屬于極遠(yuǎn)程相互作用，因?yàn)橐�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(jià)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。或許，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(yàn)的內(nèi)容呢？

作者：中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟

審核：中國科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南 

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