引力是我们每一个人在日常生活中都能体会到的自然现象，但这不代表我们真正理解它。从牛顿、爱因斯坦到霍金，人类从未停止对引力的探索。迄今为止，广义相对论是我们最成功的引力理论。它成功地描述了宇宙的大尺度结构，并预测了黑洞以及引力波的存在。但尽管如此，物理学界普遍认为我们对引力的理解还不完整。因为目前为止，物理学家还未能提出一个完整的统一广义相对论和量子力学的理论。就算有，我们该如何验证它呢？物理归根究底是一门实事求是的实验科学。正如理查德·费曼（Richard Feynman, 1918 - 1988）所说：“无论你的理论多么优美，无论你多么聪明，如果它与实验结果不符，那它就是错的。”![]()
图1 理查德·费曼（图来自于Nobel Foundation Archive）
那么问题来了，我们如何探索引力的量子性质呢？苏联物理学家马特维·布朗施泰因（Matvei Bronstein, 1906 - 1938）在1936年提出，物质之间的引力是由引力子来传播的[1]，而引力子是由量子力学描述的。![]()
图2 马特维·布朗施泰因（图来自于文献[2]）
虽然物理学家不知道完整的量子引力理论是什么，但对引力子还是有一定的了解的。至于引力子理论为什么不构成一个完整的量子引力理论，就不细说啦。在这里，读者只需要了解以下知识点就够了。（1）根据目前的理论，布朗施泰因提出的观点是正确的。（2）引力波是由多个引力子构成的。关键在于，如果能够探测到单个引力子，物理学家就能够研究引力的量子性质。到这里，我们今天要讨论的主题就闪亮登场啦：由于单个引力子的效应太微弱，迄今为止，探测引力子一直被认为是不可能的。然而，最近发表在《自然·通讯》杂志的一篇文章提出了一种巧妙的办法[3]，有可能在实验室观察到单一引力子交换的迹象。接下来，我们就来向大家介绍一下为什么引力子探测这么难，而新的设想又妙在何处。事实上光和引力具有非常多的相似性。光是传递电磁相互作用的媒介子，引力是传递引力相互作用的媒介子。在标准理论中，光子和引力子都是无质量的，所以电磁力和引力都是长程力。然而，光子和引力子的区别也很大。单个光子的存在已经是毋庸置疑的事实了。事实上，人和青蛙的眼睛都能看到几个光子。并且，科学家已经能够开发出很好的单光子探测器。在此基础上，中国科学技术大学潘建伟院士、徐飞虎教授等已经实现了远距离单光子三维成像。但是探测单个引力子却是非常困难的。你随便在地上跳一跳，就有不计其数的引力子同时发射出来。你很难把它分成单个的引力子。归根结底，这是因为引力非常弱。引力到底有多弱呢？从日常生活中的现象就可以窥知一二。你用一块小小的磁铁就可以把一小块铁从地上吸起来，这说明一块小小的磁铁的磁力比整个地球给这一小块铁的万有引力还大！你可能听说过引力波，还听说过引力波探测得了2017年诺贝尔物理学奖。引力波是什么呢？它的效应是让某个方向的长度发生一定比例的变化。目前在地球上可以探测到的引力波导致的典型变化比例约是10-21。这是个什么概念呢？LIGO （Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）和VIRGO（Virgo Interferometer，室女座干涉仪）这两个引力波探测器使用了相距4千米左右的一对镜子，在两个黑洞合并产生的引力波扫过地球的时候，这对镜子的距离会伸长或缩短10-18米。在100赫兹的频率下，这种波携带了超过1036个引力子。那么多引力子才能使距离变化那么一点点，一个引力子引起的变化就更小了。弗里曼·戴森（Freeman Dyson，1923 - 2020）计算了在LIGO中检测单个引力子所需的灵敏度，答案是远低于普朗克长度（10-35米）。这真是离谱他妈给离谱开门——离谱到家了！因此，戴森推测，可能永远无法检测到引力子[4]。还有什么别的思路，来探测单个的引力子呢？有一种设想，是利用原子的自发辐射和受激辐射。学过原子物理的人都知道，原子可以自发辐射与受激辐射光子。激光就是用光子的受激辐射实现的。事实上，原子也可以自发辐射和受激辐射引力子。那么，能不能探测到原子辐射出的单个引力子？答案是不能。史蒂文·温伯格（Steven Weinberg，1933 - 2021）在《引力论和宇宙论》中计算过，单原子自发辐射单个引力子的频率大约是10-44赫兹[5]，也就是说1044年才有一次。这么低的频率，真是应了凯恩斯的名言：“在长期，我们都死了。”（In the long run, we are all dead.）既然有这么多大科学家都说探测引力子不可能，现在又想出了什么好办法呢？这篇论文的标题叫做《用量子传感探测引力子》（Detecting single gravitons with quantum sensing），作者是美国斯蒂文斯理工学院 (Stevens Institute of Technology）的Igor Pikovski等人。新方案的妙处在于提出了两种增强机制：（1）用引力波引发物质中的单个引力子跃迁过程；（2）在宏观质量尺度上制备量子系统，与对单个能量量子的连续测量相结合。通过这两个新手段，有望极大地放大单个引力子的效应，使它变得可测。
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图3 Detecting single gravitons with quantum sensing
具体而言，他们提出使用宏观质量尺度的量子系统作为受激吸收和辐射引力子的介质，然后测量其系统受激吸收引力子的能级跃迁过程。这个宏观质量尺度的量子系统是什么？他们考虑用铝棒（或其它类似材料）组成的声学谐振器。咦，铝棒？对引力波有了解的人，听到铝棒这个词就会想到“韦伯棒”。这是历史上探测引力波的第一个方案，美国物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber, 1919 - 2000）提出。他认为用一个巨大的铝棒就可以探测到引力波。韦伯的这个方案最终被证明是不成功的，但他开创了整个引力波探测领域，所以2017年诺贝尔物理学奖的三位获得者还是在领奖时赞扬了他。假如将来真的用铝棒探测到了引力子，那绝对会成为佳话了！图4 韦伯与他的棒形探测器（图来自于University of Maryland Library）具体的探测过程如图4所示。首先有一些剧烈的天体活动会产生引力波，例如双星环绕。当这样的引力波传到地球时，其中一个引力子可能被铝棒受激吸收，使铝棒从基态跃迁到激发态。激发态和基态之间的能量差等于被吸收的引力子能量。铝棒所处的量子态被全程监测，所以发生这样的跃迁时，我们就知道来了一个引力子。具体而言，是把引力子转化为声的效应。好比用木棍敲一敲这个铝棒，声音就会从铝棒的一端传到另一端。![]()
图5 引力波通过介质导致引力子受激吸收和辐射。由于相互作用强度非常低，因此可以设计一种光电效应的引力转化为声的效应，使用声学谐振器来检测单个引力子。谐振器被冷却到基态，其第一个激发能级通过连续量子传感进行弱监测。（图来自于文献[3]）。
这个实验设计巧妙在何处？研究人员发现，处于量子相干态的铝棒受激吸收和辐射单个引力子的频率与其质量成正比。也就是说铝棒的质量越大，其吸收和辐射出单个引力子的频率就越高。令人振奋的是，当振幅大约为10-22的引力波通过一个半径0.5米、质量约为1800千克的铝棒时，铝棒受激吸收单个引力子从基态跃迁到激发态的频率约为1赫兹。同样的，当铝棒从激发态回到基态时，其受激辐射单个引力子的频率也是约1赫兹。也就是说，这个铝棒能够一秒钟吸收或辐射一个引力子。这个频率非常合适实验探测，因为既不会太快导致很多事件混在一起，又不至于太慢使得人一生只能观察到几个事件。这个实验的关键有两点。第一点是这个实验必须和LIGO、VIRGO这样的引力波探测器进行交叉比对。因为LIGO、VIRGO可以知道扫过地球的引力波的频率，从而确定单个引力子的频率，这样就可以知道这个频率能不能使得确定能级的基态原子跃迁到更高能级。另外一个关键点，在于实验必须确保1800千克重的铝棒里面的所有铝原子都处于基态。思路很简单，就是降温。在某些材料制作的棒子上，只需要10 mK就可以了，这完全在目前的技术水平之内。当然，使所有原子都处于基态不太可能，所以在实验允许的误差范围之内，让尽可能多的原子处于基态就可以了。实验的误差主要来自热噪声，因为热噪声产生的信号和引力子激发产生的信号非常类似，容易以假乱真。但是没关系，我们只需要让预估的热噪声产生的激发事件率小于预估的引力子激发的事件率。如果我们仍然观测到预估的那么多事件，就说明在一定的置信度下，引力子激发的事件是存在的。根据此文的评估，所需的实验技术在不远的将来都能实现。将爱因斯坦的引力理论与量子力学相融合，是现代物理学的主要未决问题之一。一个主要挑战是缺乏量子引力的实验证据，已知的实验可行目标很少。单个引力子的探测是对量子引力的直接证据，迄今为止被认为是不可能完成的任务。基于这些原因，Pikovski等人提出的实验可能成为量子引力研究的一个里程碑。[1]Bronstein, M., Republication of: Quantum theory of weak gravitational fields, General Relativity and Gravitation. 44 (1): 267–283.[2]Gorelik, G. E., Matvei Bronstein and quantum gravity: 70th anniversary of the unsolved problem. Physics-Uspekhi 48 (10) 1039-1053 (2005).[3] Tobar, G., Manikandan, S.K., Beitel, T., Pikovski, I., Detecting single gravitons with quantum sensing, Nature Commun. 15 (2024) 1, 7229.[4]Dyson, F. Is a graviton detectable? Int. J. Mod. Phys. A 28, 1330041 (2013).[5]Weinberg, S., Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity (John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 1972).■ 扩展阅读
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■ 作者简介
周思益
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2014年本科毕业于中国科学技术大学，同年进入香港科技大学王一研究组读博士，2019年进入斯德哥尔摩大学Bo Sundborg研究组做博士后，2021年进入神户大学野海俊文（Toshifumi Noumi）研究组担任外国人特别研究员，现任重庆大学物理学院副教授，主要研究引力波以及宇宙对撞机物理。
李政阳
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2012年于坎特布雷大学获得博士学位。2019年至今任四川大学物理学院助理研究员。主要从事量子场论和粒子物理研究。
