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圖為在分數量子霍爾效應中探測到的引力子激發（示意圖）。
杜靈杰供圖
許多人了解引力的概念是通過牛頓的萬有引力定律。從傳說中砸中牛頓的蘋果到天上飄落的雨滴，引力無處不在；從牛頓力學到愛因斯坦相對論再到弦理論，數百年來科學家對引力與引力子的探索從未間斷。引力子研究是物理學的終極問題之一，有人甚至把引力子視作粒子物理學的最后一塊拼圖，如果能證實引力子的存在，將是當代物理學乃至整個科學領域的重大突破。
前不久，我所在的科研團隊一項最新研究成果在《自然》雜志發表，引發社會關注。我們通過自主設計的實驗設備，首次觀察到引力子在凝聚態物質中的“投影”，這標志著自20世紀30年代引力子概念提出以來，世界范圍內首次在真實系統中發現具有引力子特征的準粒子。在引力子物理的探索道路上，我們朝前邁出了重要一步。
引力子研究對實現廣義相對論和量子力學的統一殊為關鍵
很長時間以來，物理學家一直追求一種大一統理論，希望用它來解釋自然界的所有物理現象。雖然這個目標尚未達成，但這一追求不斷推動著物理學的發展，并且深刻影響了科技進步，引發了多次科技革命。例如，牛頓提出的萬有引力，統一了地球上的物體和天體的運動規律，并構建了牛頓力學，這直接催生了第一次工業革命；電動力學的研究成功地統一了電與磁的概念，催生了第二次工業革命。而今，廣義相對論和量子力學在現代物理學中占據要位，分別成功地應用于宏觀和微觀世界。這兩大理論目前還未能實現統一，科學家們在朝著這個目標努力，期待二者的統一能像歷史上每一次重大科學突破那樣，引領新一輪科技革命。
廣義相對論作為目前最為成功的引力理論，指出引力的本質不是物體間的吸引力，而是時空彎曲的一種幾何效應。這一理論解釋了宇宙中的絕大多數宏觀現象，并預言了引力波的存在。想象一下，重球會讓緊繃的床單形成凹陷，如果你輕輕地推一個小球過去，它會朝著那個凹陷滾動。在這里，床單類似于物理學中的“度規”（用來描述時空形狀的概念），而引力波就是一種源自時空度規波動的現象。近年來，隨著“中國天眼”（FAST）和激光干涉引力波天文臺（LIGO）等國內外大科學裝置多次觀測到引力波的相關信號，廣義相對論中關于引力是時空幾何效應的觀念已被廣泛認可。
量子力學則在描述微觀世界如原子和亞原子尺度的物理規律方面，取得了巨大成功。自量子力學確立以來，物理學家已經將已知的四種基本作用力中的三種——強相互作用力、弱相互作用力和電磁力——成功地統一到量子力學的理論框架內。然而，引力仍未被納入這一框架中。類似于光子是電磁波在量子世界中的表現，科學家推測引力波在量子世界中的粒子是引力子。物理學家一直試圖通過引力子這一概念，將引力融入量子力學的體系，從而實現四種基本作用力的完全統一，也即廣義相對論與量子力學的統一。
引力子研究憑借其在物理學中的重要性，引起廣泛而強烈的學術關注。然而，宇宙中的引力子信號很難探測，難度遠超引力波。有物理學家指出，即使利用與地球質量相當的理想探測器，也可能需要超過10億年才會探測到一個來自太陽的引力子。到目前為止，尚未有引力子的實驗證據被報道，引力子物理的研究主要還是停留在理論上。
凝聚態系統中的引力子激發具有和引力子類似的特性
相較于遙遠的宇宙，生活中大部分可見物質都是凝聚態，通常包括固態和液態。凝聚態系統中，大量的電子、分子等單體之間相互作用，導致系統呈現出區別于單體的特征。科學家已經發現凝聚態系統存在著和宇宙中的粒子類似的物理性質。凝聚態物理和量子引力這兩個領域開始交匯。
有理論物理學家提出猜想：在分數量子霍爾態中，可能存在具有引力子特征的準粒子，表現為低能集體激發，即大量電子集體性的能量躍遷——就像平靜的湖面上突然激起數不清的、不同形狀的漣漪。分數量子霍爾態是一種超越傳統固體物理框架的強關聯物質形態，代表了當代凝聚態物理學研究的前沿。分數量子霍爾效應只有在極端條件下才會被觀測到，它的出現打開了人類認識世界的一扇窗口。分數量子霍爾效應一般可以形象地理解為“特殊電子”（如一個電子與兩個磁通量子相結合）在二維平面上沿圓形軌道運動，這些圓形軌道通常被認為是固定不變的。然而，近年來已有物理學家指出：存在一種長期被忽視的量子度規，在這一新框架下，軌道形狀是可變的。這種隨時間變化的軌道幾何形變，能夠將“特殊電子”推向同圓心的次近鄰軌道，這個效應帶來了引力子激發。引力子激發不僅具有和引力子類似的特性，而且還可以通過相應的量子引力方程來描述。
但是，尋找引力子激發的道路同樣挑戰重重。
引力子激發的首次實驗發現為量子引力物理開辟了新途徑
引力子激發的探測需要依賴雙光子過程的非彈性光散射實驗。這種實驗對設備的要求極為苛刻且看似矛盾。一方面，實驗需要在極低溫度下進行（約50毫開爾文，零下273.1攝氏度）并且需要強磁場支持（約10特斯拉），一般通過稀釋制冷機來實現；另一方面，實驗中使用的可見光及制冷機的透光窗口輻射，容易將溫度升至100毫開爾文以上。此外，實驗測量也對制冷機脈沖管帶來的振動極為敏感。更為復雜的是，由于引力子激發的能量極低（最低可至70吉赫茲），實驗需要在微波波段實現共振非彈性光散射測量，即使在室溫條件下也極具挑戰。因此，這一實驗一直被認為是極難完成的任務，無論是從實驗技術，還是從基礎物理創新角度，都意味著從0到1的突破。
經過多年努力，南京大學自主設計并集成組裝了一套基于稀釋制冷技術的極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統。這臺特殊的設備能夠在零下273.1攝氏度的環境中捕捉到最低至10吉赫茲的微弱激發并判斷其自旋。利用這一先進設備，實驗團隊近日在砷化鎵半導體量子阱中成功觀測到分數量子霍爾效應中的引力子激發。通過共振非彈性光散射，團隊從自旋、動量和能量的角度確認了引力子激發的實驗證據。
這項工作標志著科學界首次在實驗中觀察到具有引力子特征的準粒子，首次在真實的凝聚態系統中揭示了引力子物理的量子規律，為探索量子引力物理開辟了新的途徑。想象一下，原本可能需要建造行星級別的探測器才能研究引力子的奧秘，如今在一個房間大小的實驗設備中，就可以一窺其深奧的物理規律。
引力子激發的發現，為分數量子霍爾效應的量子幾何理論提供了關鍵實驗證據，打開了關聯物態的幾何效應實驗研究的新方向。以往人們在研究分數量子霍爾效應時，主要關心其拓撲性質，而忽視量子幾何的重要性，實際上量子幾何與拓撲一樣，對理解物質的關聯性質極為重要。引力子激發的研究，有助于我們更深入地理解物質的微觀結構和相互作用機制。未來的新型電子器件和新型材料可能就得益于這種對物質微觀結構的更深入理解。此外，引力子激發的研究有助于揭示拓撲量子計算的物理機制，推動相關應用的發展，帶來信息處理速度的極大提升，網絡通信、大數據、人工智能等領域將迎來新的發展機遇。
科幻小說《三體》這樣描繪基礎物理的重要性：當一個文明掌握了更加基礎的物理規律之后，可以發展出領先于其他文明的科技水平。有關引力子的探索研究，正是基礎物理的重要組成。目前，引力子激發這一實驗發現，已經引起世界范圍內科學工作者關注。很多理論物理學家已經投入到凝聚態宇宙的量子引力物理研究中，提出了有趣且富有想象力的研究方案。這給予我們實驗物理工作者很大啟發，我們將繼續推進相關研究，升級實驗設備，從而更好探索奇妙的物理世界，以科學研究為發展新質生產力作出貢獻。
（作者為南京大學物理學院教授）