該項目旨在彌合廣義相對論與量子力學(xué)之間長期存在的鴻溝。

史蒂文斯理工學(xué)院與耶魯大學(xué)的物理學(xué)家近日啟動了一項實驗計劃，旨在探測引力子——這種假想的引力量子粒子。該合作由伊戈爾·皮科夫斯基（史蒂文斯學(xué)院）與杰克·哈里斯（耶魯大學(xué)）主導(dǎo)，首次嘗試在物理層面捕獲單個引力子。

“量子物理學(xué)始于對光與物質(zhì)的實驗研究，”皮科夫斯基表示，“如今我們的目標(biāo)是將引力納入實驗領(lǐng)域，像一百多年前物理學(xué)家研究光子那樣探索引力子?！?/p>

從引力漣漪到單粒子探測

近一個世紀(jì)以來，物理學(xué)始終是涇渭分明的領(lǐng)域。一方是愛因斯坦的廣義相對論，描述時空在大尺度上的平滑彎曲；另一方則是量子力學(xué)，刻畫亞原子世界離散的粒子本質(zhì)。要將這兩大支柱統(tǒng)一為“萬物理論”，引力必須被量子化，即通過引力子傳遞相互作用。然而，探測單個引力子長期被視為實驗上不可能的任務(wù)，使得兩大理論之間的橋梁僅停留在猜想層面。

2024年有研究指出，現(xiàn)代量子技術(shù)的進(jìn)步可能將這一設(shè)想變?yōu)閷嶒灛F(xiàn)實。探測引力子的關(guān)鍵在于融合引力波天文學(xué)與量子工程。研究團(tuán)隊的突破基于兩大現(xiàn)代科技成果的巧妙結(jié)合：一方面，人類已能通過黑洞碰撞產(chǎn)生的時空漣漪——引力波“聆聽”宇宙；另一方面，量子工程技術(shù)的成熟使得宏觀物體可如同微觀原子般被精確操控。正是引力波探測與量子傳感的結(jié)合，讓“不可能”變得可觀測。

實驗原理：氦振子與能量“踢動”

哈里斯主導(dǎo)的實驗使用了一個充滿超流體氦的厘米級諧振器。氦被冷卻至量子基態(tài)，達(dá)到絕對靜止。理論預(yù)測，當(dāng)遙遠(yuǎn)星系碰撞產(chǎn)生的引力波穿過實驗室時，會向圓柱體注入微小的能量“踢動”——這正是單個引力子存在的證據(jù)。諧振器會將引力能量轉(zhuǎn)化為聲子（振動的單個量子），研究團(tuán)隊通過高精度激光測量這種振動，從而實現(xiàn)對穿過空間的引力子進(jìn)行計數(shù)。

系統(tǒng)規(guī)?；簭奈⒖说角Э说目缭?/strong>

盡管引力子極少與物質(zhì)相互作用，但將量子探測器從微觀尺度擴(kuò)展到千克級，可形成足夠大的“靶標(biāo)”，最終捕獲并解析這些微弱的能量變化。在W. M. 凱克基金會的支持下，皮科夫斯基與哈里斯已啟動首個此類實驗合作項目，推動引力子探測走向現(xiàn)實。該項目標(biāo)志著從理論發(fā)現(xiàn)到構(gòu)建實體“引力陷阱”的轉(zhuǎn)折，將量子傳感精度推向首次觀測引力子所需的高度。

“我們已掌握核心技術(shù)工具，”哈里斯表示，“能夠在宏觀量子系統(tǒng)中檢測單量子?，F(xiàn)在的關(guān)鍵在于規(guī)?；??！蓖ㄟ^將技術(shù)成功擴(kuò)展至克級并保持極端靈敏度，團(tuán)隊正在為未來更大規(guī)模、能夠明確觀測引力子的探測器繪制基礎(chǔ)藍(lán)圖。

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