量子實驗終于揭示了難以捉摸的引力粒子

引力子——一種攜帶引力的假想粒子——一個多世紀以來一直沒有被發現。但現在物理學家已經設計了一種實驗裝置，理論上可以探測這些微小的量子物體。

就像稱為光子的單個粒子是電磁場的力載體一樣，引力場理論上可以有自己的承載力的粒子，稱為引力子。

問題是，它們的相互作用非常微弱，以至于從未被檢測到，一些物理學家認為它們永遠不會被發現。

但是新研究以斯德哥爾摩大學為首的，則更為樂觀。該團隊描述了一項實驗，該實驗可以測量他們所謂的“引力-聲子效應”，并首次捕獲單個引力子。

該實驗將涉及將一根重達 1,800 公斤（近 4,000 磅）的巨大鋁棒冷卻至絕對零度以上的一根頭發，將其連接到連續的量子傳感器，并耐心等待引力波來沖刷它。當一個人這樣做時，儀器會以非常小的尺度振動，傳感器可以將其視為能級之間的一系列離散步驟。

這些步驟（或量子跳躍）中的每一個都將標記對單個引力子的探測。

然后，可以將任何潛在信號與來自LIGO 設施確保它來自引力波事件，而不是背景干擾。

這是一個出乎意料的優雅實驗，但有一個問題：那些敏感的量子傳感器實際上還不存在。也就是說，該團隊認為在不久的將來應該可以構建它們。

“我們確信這個實驗會奏效，”理論物理學家托馬斯·貝特爾 （Thomas Beitel） 說，該研究的作者。“既然我們知道可以檢測到引力子，那么進一步開發適當的量子傳感技術就有了額外的動力。運氣好的話，很快就能捕獲單個引力子了。

的物理學的四種基本力，引力是我們每天最熟悉的引力，但在許多方面它仍然是最神秘的。電磁學有光子，弱相互作用有 W 和 Z玻 色子，而強相互作用有膠子，所以根據一些模型引力應該有引力子。沒有它，讓 Gravity 與標準型號量子理論。

具有諷刺意味的是，這個新實驗可能會有所幫助，因為它可以回到該領域最早的一些實驗。從 1960 年代開始，物理學家約瑟夫·韋伯嘗試查找引力波使用實心鋁制圓柱體，這些圓柱體懸掛在鋼絲上，以將它們與背景噪音隔離開來。這個想法是，如果引力波席卷而過，它會在圓柱體中引發振動，這些振動將被轉換為可測量的電信號。

通過這種設置，韋伯堅稱他早在 1969 年就探測到了引力波，但他的結果無法復制，他的方法后來被推翻了。這種現象將一直未被發現，直到LIGO 在 2015 年找到了他們.

韋伯并不是專門尋找引力子，但隨著 21 世紀對他的實驗進行升級，這可能是可能的。低溫冷卻以及防止噪音和其他振動源，使鋁原子盡可能保持靜止，因此潛在信號更清晰。手頭有一個經過驗證的引力波探測器也很有幫助。

“LIGO 天文臺非常擅長探測引力波，但它們無法捕捉單個引力子，”說 Beitel.“但我們可以使用他們的數據與我們提議的探測器進行交叉關聯，以分離單個引力子。”

研究人員表示，最有希望的候選者是成對的中子星，在 LIGO 的探測范圍內。對于每個事件，估計有 1 個十分萬位引力子（即 1 后跟 36 個 0）會穿過鋁，但只有少數會被吸收。

最后一塊拼圖是那些討厭的量子傳感器。值得慶幸的是，該團隊相信技術并非遙不可及。

“最近在材料中觀察到量子躍遷，但尚未達到我們需要的質量。”說斯德哥爾摩大學物理學家 Germain Tobar 是該研究的作者之一。“但技術進步非常迅速，我們對如何讓它變得更容易有更多的想法。”

該研究發表在雜志上自然通訊.

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