“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。但是，你知道什么是“引力子”嗎？最近，南京大學科研團隊宣稱發(fā)現“分數量子霍爾效應引力子”（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？分數量子霍爾效應，又是什么意思呢？今天我們一起聊聊凝聚態(tài)物質里的“引力子”。

物理學家們總是有一個“天下大一統(tǒng)”的夢想，希望宇宙萬物的運行規(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，兩者涉及的時間、空間和能量尺度都差了N個數量級。這意味著，廣義相對論和量子物理學都看似“風牛馬不相及”，要統(tǒng)一何其困難。1939年，量子引力理論的出現，為大統(tǒng)一物理學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?？茖W家發(fā)現，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數就行，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，就預言了引力波的存在，他認為引力場對應于時空的幾何結構，如果給時空投下一枚小石子，它也會造成水波那樣向外擴散的“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，比如超弦理論的升級版——超膜理論里引力子占據核心地位，又比如暗物質有可能就是有質量的引力子組成。但是，科學家找了很多年，始終沒有在實驗上觀測到“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，并很快在2017年獲得了諾貝爾物理學獎。

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，可能相當于在遙遠的星球上跺跺腳，在地球上要測量到，這難度遠遠大于引力波的測量。

但是，物理學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)物理學家。組成物質的固態(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，物理學家們構造出了一個“準粒子”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，描述固體中復雜的相互作用，只需要數一數這些準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”，還有以科學家名字命名的“外爾費米子”、“狄拉克費米子”、“馬約拉納費米子”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)物質里的準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數量子霍爾效應中可能存在著類似引力子的準粒子激發(fā)，也被稱為“分數量子霍爾效應引力子”。所謂分數量子霍爾效應，就是把一群電子受限在二維空間里，比如夾在兩個半導體之間。在施加強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)，對應的準粒子的電荷不再是以元電荷為最小單元，而是分數化的，比如三分之一個元電荷。這個系統(tǒng)的準粒子還有很多形式，霍爾丹認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，可以比較兩者的質量、自旋、電荷、手性等?；魻柕ふJ為的“分數量子霍爾效應引力子”，就和量子引力預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稟磁矩，就像自我旋轉一樣，而且有特定方向，比如只有符合右手螺旋規(guī)則。

南京大學團隊探測到的“引力子”，是在砷化鎵量子阱里發(fā)現的。這個實驗挑戰(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的極強磁場下才有該效應；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，引力子形式的準粒子能量極低（大約70 GHz），幾乎是非彈性拉曼散射實驗的極限。但這一系列的挑戰(zhàn)最終取得了成功，從各種實驗證據來看，都非常吻合霍爾丹預言的“分數量子霍爾效應引力子”。這說明，凝聚態(tài)物理里有乾坤，還有更多有趣的準粒子尚待發(fā)現。

固體中的“引力子”準粒子激發(fā)

但必須說清楚的是，這種“引力子”嚴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，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，而后者則屬于極遠程相互作用，因為引力波跨越了遙遠的宇宙尺度。

當然，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”的準粒子，可以模擬旋轉的黑洞?；蛟S，我們借助“分數量子霍爾效應引力子”也能模擬量子引力理論里那些無法做實驗的內容呢？

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 中國科學院高能物理研究所研究員

出品：中國科協科普部

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