掌中的“宇宙”：凝聚態(tài)系統(tǒng)中首次觀測到引力子激發(fā) | 杜靈杰——科學(xué)講壇

2025年8月27日，墨子沙龍邀請到南京大學(xué)物理學(xué)院教授杜靈杰，在上海圖書館東館為觀眾帶來題為“掌中的‘宇宙’——在半導(dǎo)體中一窺量子引力的奧秘”的講座。2024年，杜教授帶領(lǐng)團隊在量子物理領(lǐng)域取得重大進(jìn)展：首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物理中的準(zhǔn)粒子，為在凝聚態(tài)物質(zhì)中研究量子引力相關(guān)物理問題開辟了新的視野。這一重要成果入選了2024年度中國科學(xué)十大進(jìn)展和中國十大科技進(jìn)展新聞。

本次講座將圍繞三個核心元素展開：量子、引力與半導(dǎo)體。量子如同微觀世界的“導(dǎo)演”，它讓粒子同時扮演多個角色、穿墻而過，甚至相隔萬里也能默契互動，演繹出一幕幕超越日常經(jīng)驗的物理奇跡。引力是時空的詩人，它以無形的韻律讓星辰流轉(zhuǎn)、萬物歸位，每一行詩句都寫在行星的軌跡和墜落的蘋果之間；半導(dǎo)體是人類搭建的“量子劇場”，在這納米尺度的舞臺上，粒子們演繹著隧穿、疊加與糾纏的奇妙劇目，讓我們得以一窺宇宙最深層的奧秘。本文根據(jù)講座內(nèi)容整理而成。

物理學(xué)的“大一統(tǒng)”追求

人類歷史上的數(shù)次科技革命，均源于物理學(xué)理論的重大突破。牛頓力學(xué)及萬有引力定律首次為引力提供了數(shù)學(xué)描述，將天體運動與地面物體的運動納入統(tǒng)一框架，開啟了第一次科技革命。隨后，麥克斯韋統(tǒng)一電與磁，建立電磁理論，以簡潔方程組概括全部電磁現(xiàn)象，推動了第二次科技革命。物理學(xué)家始終追求以統(tǒng)一理論解釋萬物運行規(guī)律，這一目標(biāo)雖未完全實現(xiàn)，卻持續(xù)推動學(xué)科發(fā)展并催生多次科技變革。

近代物理的兩大核心理論——廣義相對論與量子力學(xué)，分別成功描述宏觀世界和微觀世界的物理規(guī)律，但二者目前尚未兼容。廣義相對論將引力詮釋為時空彎曲的幾何效應(yīng)，而非牛頓意義上的超距作用。愛因斯坦預(yù)言了引力波，其已被LIGO等探測器觀測到，中國“天眼”FAST等大科學(xué)裝置也參與相關(guān)探測。這一發(fā)現(xiàn)強化了引力作為時空幾何屬性的觀念。量子力學(xué)則成功在微觀尺度描述粒子行為，且已將電磁力、強相互作用和弱相互作用統(tǒng)一于量子場論框架中，其分別通過光子、膠子和W/Z玻色子傳遞。而引力尚未被納入該體系。盡管引力波已被探測，其量子化形式——引力子——仍未觀測到。與自旋為1的其它作用力媒介子不同，引力子應(yīng)具有自旋為2的特性。因此，尋找引力子成為統(tǒng)一廣義相對論與量子力學(xué)、實現(xiàn)四種基本力全面統(tǒng)一的關(guān)鍵最后一環(huán)。

引力子的研究歷程

自廣義相對論提出之初（1915年），愛因斯坦便已嘗試將其與量子力學(xué)統(tǒng)一，從而開啟了量子引力的研究進(jìn)程。量子力學(xué)理論體系直至1925年才趨于成熟。1939年，物理學(xué)家泡利（Pauli）及其助手費爾茲（Fierz在線性化愛因斯坦場方程的基礎(chǔ)上提出了Fierz-Pauli場方程，成功描述了自旋為2的引力子，標(biāo)志著量子引力理論邁出關(guān)鍵一步，為引力場的量子化提供了重要理論基礎(chǔ)。在量子引力理論發(fā)展中，超弦理論也占據(jù)核心地位。然而，實驗上探測引力子——尤其是（3+1）維時空中的引力子——極為困難，其信號強度甚至遠(yuǎn)低于引力波。從愛因斯坦預(yù)言引力波至最終探測成功，歷時百年，而探測引力子所需的條件較之更為苛刻。據(jù)物理學(xué)家戴森（Dyson）估算，即使以整個地球作為探測器，在理想條件下也需十億年才可能探測到一顆來自太陽的引力子。考慮到目前為止宇宙年齡僅約138億年，這一難度可見一斑。

探測引力子的研究促使科學(xué)界重新審視認(rèn)識世界的基本范式。傳統(tǒng)科學(xué)研究遵循還原論方法，即通過分析系統(tǒng)的最基本組成單元（如原子、分子或神經(jīng)元）來解釋整體行為。該思想源于牛頓力學(xué)，認(rèn)為一旦掌握底層規(guī)律，便可預(yù)測系統(tǒng)所有行為。然而，現(xiàn)實世界更多表現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)，其重要特征在于“整體大于部分之和”。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性增加，會涌現(xiàn)出無法由個體單元直接推導(dǎo)的新現(xiàn)象與規(guī)律。例如，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)源于電子間的集體相互作用，意識的產(chǎn)生依賴于大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工智能的智能行為實為算法和架構(gòu)的涌現(xiàn)結(jié)果。這類“涌現(xiàn)論”思維已在人工智能、復(fù)雜系統(tǒng)與社會研究中廣泛應(yīng)用。其中，凝聚態(tài)物理是研究涌現(xiàn)現(xiàn)象的典型領(lǐng)域，日常所見的固體、液體，以及超導(dǎo)體、超流體等量子物態(tài)，均由大量粒子通過相互作用形成的全新集體行為，從而涌現(xiàn)出如超導(dǎo)電流、分?jǐn)?shù)電荷等個體粒子不具備的性質(zhì)。

在量子引力等前沿領(lǐng)域，單純依賴還原論已顯不足，亟需引入涌現(xiàn)視角，從系統(tǒng)與復(fù)雜性的層面重新思考時空、引力與物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，這也為探測引力子提供了新的理論路徑。

探尋引力子的實驗開啟

要理解大量電子構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，我們需借助“準(zhǔn)粒子”這一強大概念。它們雖不是基本粒子，卻能簡潔描述凝聚態(tài)物質(zhì)中的集體行為，形成一個神秘的“凝聚態(tài)宇宙”。例如LED發(fā)光就源于電子與“空穴”（一種準(zhǔn)粒子）的復(fù)合，而石墨烯、超導(dǎo)體等系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了狄拉克費米子、馬約拉納費米子等新型準(zhǔn)粒子。

更值得驚喜的是，這一框架還與量子引力研究相匯合。低維系統(tǒng)（如二維半導(dǎo)體）為在實驗室中研究引力子物理提供了新途徑。在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種具有自旋2和手性特征的激發(fā)模式，被稱為“分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子”。它源自量子化的度規(guī)擾動，行為與理論預(yù)言的引力子高度相似。在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中，電子被限制在二維材料內(nèi)。在極低溫和強磁場條件下，電子的電導(dǎo)率呈現(xiàn)量子化臺階行為，表現(xiàn)出獨特的離散特性。該系統(tǒng)中存在一種量子幾何結(jié)構(gòu)，其波函數(shù)不僅受磁場影響，還與空間度規(guī)相關(guān)——這種度規(guī)描述了二維電子的形狀漲落，類似于時空的微觀變形。由此產(chǎn)生的度規(guī)擾動量子化激發(fā)形成一種“幾何波”，可與高能物理中的引力子類比，為在凝聚態(tài)系統(tǒng)中研究量子引力提供了實驗依據(jù)。

實驗研究主要基于第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）。通過分子束外延技術(shù)可制備高質(zhì)量的二維電子氣系統(tǒng)，其高遷移率特性使其成為研究量子引力效應(yīng)的理想平臺。這類微觀結(jié)構(gòu)被稱為掌中"宇宙"，盡管尺寸微?。ǜ鲗咏Y(jié)構(gòu)僅數(shù)十納米厚），卻能承載豐富的物理現(xiàn)象。

然而，實驗觀測二維引力子面臨多重挑戰(zhàn)：需在極端條件下進(jìn)行：50mK極低溫（接近絕對零度）和10T強磁場（地磁的10萬倍）；測溫控溫困難：光學(xué)測量中制冷機透光窗口的熱輻射易導(dǎo)致溫度升高；振動干擾：干式稀釋制冷機的脈沖管振動影響測量精度；環(huán)境濕度：南方高濕環(huán)境要求額外的恒濕控制；技術(shù)瓶頸：需開發(fā)微波波段的共振非彈性光散射技術(shù)，以探測低至50GHz的引力子模；探測手段復(fù)雜:引力子模作為四級激發(fā)，需通過雙光子非彈性光散射過程進(jìn)行探測。該過程要求分別使用自旋為+1和-1的圓偏振光作為入射和散射光，以識別其自旋2特性，這一技術(shù)要求在當(dāng)前實驗條件下仍極具挑戰(zhàn)性。

這些挑戰(zhàn)凸顯了發(fā)展極端條件下精密測量技術(shù)和自主研發(fā)實驗設(shè)備的重要性，也為凝聚態(tài)物理與量子引力的交叉研究指明了方向。

自主搭建出唯一的探尋引力子系統(tǒng)設(shè)備

2019年，杜靈杰等人在實驗中意外發(fā)現(xiàn)一種新型激發(fā)模式（稱“new plasmon”），隨后理論物理學(xué)家們提出該激發(fā)很可能與引力子相關(guān)，促使他回國從零開始搭建極低溫量子實驗系統(tǒng)。歷經(jīng)三年自主研發(fā)，他的團隊成功構(gòu)建了國際首套能夠在50mK極低溫下探測10GHz微弱激發(fā)并測定自旋的實驗裝置，其核心參數(shù)達(dá)國際領(lǐng)先水平。

利用該設(shè)備，他的團隊首次在分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)中觀測到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，實驗證實二維電子氣中度規(guī)擾動可產(chǎn)生自旋2的量子激發(fā)。該成果于2024年發(fā)表，入選“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，并被BBC《Science Focus》評價為“朝量子引力理論突破邁出的關(guān)鍵一步”。

此項工作首次在真實凝聚態(tài)系統(tǒng)中觀測到引力子性質(zhì)的激發(fā)，為1930年代提出的引力子概念提供了實驗參照；開辟了在凝聚態(tài)體系中研究量子引力的新路徑；為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的量子幾何理論提供關(guān)鍵證據(jù)；引力子模對識別非阿貝爾拓?fù)鋺B(tài)和推動拓?fù)淞孔佑嬎憔咧匾獌r值。

問答環(huán)節(jié)

問：為什么太陽的引力沒有導(dǎo)致八大行星互相碰撞？

答：太陽引力為行星公轉(zhuǎn)提供向心力，使其維持穩(wěn)定軌道運動；同時行星間距巨大、軌道平面一致且遵循開普勒定律，從而避免了相互碰撞。

問：貴實驗室在國際上取得重要突破性成果，且實驗難度極高。在團隊年輕、缺乏技術(shù)支持的條件下，是如何完成如此苛刻的實驗設(shè)備搭建的？特別是稀釋制冷和超強磁場系統(tǒng)是如何實現(xiàn)的？

答：實驗設(shè)備并非完全從零搭建，部分組件采用成熟商用產(chǎn)品。制冷通過稀釋制冷機實現(xiàn)，超強磁場則由超導(dǎo)磁體產(chǎn)生——其利用超導(dǎo)材料在低溫下的零電阻特性，可通過極大電流生成高強度磁場。

問：量子世界與宏觀世界本質(zhì)上是兩個獨立的世界，還是屬于同一世界的不同表現(xiàn)形式？

答：這或許是物理學(xué)中的一個終極問題。目前尚無確切的答案，但基于現(xiàn)有科學(xué)框架，我更傾向于認(rèn)為它們屬于同一現(xiàn)實世界，只是需采用不同的理論體系進(jìn)行描述——量子力學(xué)適用于微觀尺度，經(jīng)典物理學(xué)適用于宏觀尺度。這種認(rèn)識本身也隨著科學(xué)進(jìn)步而持續(xù)演化。例如，歷史上人類曾認(rèn)為地球是平的，后來才認(rèn)識到它是球體；如今，有觀點認(rèn)為所有基本粒子實則是從更基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)中“涌現(xiàn)”出來的，這種涌現(xiàn)論的視角正為連通宏觀與微觀世界提供一種新的思路。科學(xué)的魅力恰恰在于，我們的認(rèn)知始終處于不斷深化和發(fā)展的過程之中。

問：空穴作為一種準(zhǔn)粒子，與引力子在物理描述上有何關(guān)聯(lián)？此外，電子激發(fā)涉及能帶間的躍遷，引力子的激發(fā)過程又是怎樣的？

答：空穴與引力子雖同屬準(zhǔn)粒子范疇，但二者并無直接物理關(guān)聯(lián)。準(zhǔn)粒子在凝聚態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在且具有重要物理意義，不能因其非基本粒子而低估其價值。引力子的激發(fā)過程與廣義相對論中時空度規(guī)的擾動密切相關(guān)。在二維電子系統(tǒng)中，引力子激發(fā)可理解為度規(guī)漲落導(dǎo)致的集體能量躍遷。與常規(guī)電子躍遷（通過吸收光子實現(xiàn)能帶間躍遷）不同，引力子激發(fā)的過程中：光子作為能量載體入射系統(tǒng)，首先引發(fā)二維空間的量子度規(guī)擾動（可類比為布料的抖動），這種度規(guī)波動進(jìn)而促使電子發(fā)生躍遷。換言之，電子的能量變化并非直接由光子引起，而是由度規(guī)的量子化波動所驅(qū)動。

問：實驗如何通過二維系統(tǒng)驗證現(xiàn)實三維世界的理論？準(zhǔn)粒子是否已被實驗觀測？手性引力子的具體含義是什么？

答：在實驗物理中，降維研究（如二維電子系統(tǒng)）有助于簡化復(fù)雜問題并揭示新現(xiàn)象，但從低維結(jié)果向高維理論的推廣仍存在挑戰(zhàn)。準(zhǔn)粒子已被大量實驗證實，例如空穴、聲子等均是可觀測的物理實在，手性引力子也是一種準(zhǔn)粒子。手性引力子特指在特定條件下（如分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中）發(fā)現(xiàn)的兩維空間中的具有特定手性的引力子激發(fā)。通常高維時空中的引力子可具有雙重自旋態(tài)（如+2或-2），但實驗中觀測到的引力子模僅呈現(xiàn)單一自旋方向（只能為+2或-2），這種自旋自由度受限的特性被稱為“手性”?，F(xiàn)實宇宙中的3+1維時空中的引力子本身無固定手性，而“手性引力子”是低維凝聚態(tài)系統(tǒng)中涌現(xiàn)的、具有特定對稱性破缺的準(zhǔn)粒子表現(xiàn)形式。

問：在什么情況下會產(chǎn)生物體之間的強相互作用力？

答：強相互作用力一般只在非常小的距離里面產(chǎn)生，例如，在質(zhì)子內(nèi)部的夸克跟夸克之間。

問：小說《三體》中描述的“水滴”探測器基于強相互作用力原理。人類未來是否可能將強相互作用力實際應(yīng)用于武器化？

答：在四種基本相互作用力（電磁力、強相互作用力、弱相互作用力、引力）中，人類對電磁力的理解和操控能力是比較深刻的，而對其他三種力仍非常有限。若未來在強相互作用力理論與技術(shù)上取得突破，其武器化存在理論可能性，但這屬于遠(yuǎn)期展望，目前尚未實現(xiàn)有效掌控。

內(nèi)容整理：路飛

本文轉(zhuǎn)載自《墨子沙龍》微信公眾號

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