世界首個“引力子陷阱”旨在解開百年量子力學謎題

該項目旨在彌合廣義相對論與量子力學之間長期存在的鴻溝。

史蒂文斯理工學院與耶魯大學的物理學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（史蒂文斯學院）與杰克·哈里斯（耶魯大學）主導，首次嘗試在物理層面捕獲單個引力子。

“量子物理學始于對光與物質的實驗研究，”皮科夫斯基表示，“如今我們的目標是將引力納入實驗領域，像一百多年前物理學家研究光子那樣探索引力子。”

從引力漣漪到單粒子探測

近一個世紀以來，物理學始終是涇渭分明的領域。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，刻畫亞原子世界離散的粒子本質。要將這兩大支柱統一為“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，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，現代量子技術的進步可能將這一設想變為實驗現實。探測引力子的關鍵在于融合引力波天文學與量子工程。研究團隊的突破基于兩大現代科技成果的巧妙結合：一方面，人類已能通過黑洞碰撞產生的時空漣漪——引力波“聆聽”宇宙；另一方面，量子工程技術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，達到絕對靜止。理論預測，當遙遠星系碰撞產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。諧振器會將引力能量轉化為聲子（振動的單個量子），研究團隊通過高精度激光測量這種振動，從而實現對穿過空間的引力子進行計數。

系統規模化：從微克到千克的跨越

盡管引力子極少與物質相互作用，但將量子探測器從微觀尺度擴展到千克級，可形成足夠大的“靶標”，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實。該項目標志著從理論發現到構建實體“引力陷阱”的轉折，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工具，”哈里斯表示，“能夠在宏觀量子系統中檢測單量子。現在的關鍵在于規模化。”通過將技術成功擴展至克級并保持極端靈敏度，團隊正在為未來更大規模、能夠明確觀測引力子的探測器繪制基礎藍圖。

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