世界首个“引力子陷阱”旨在解开百年量子力学谜题

该项目旨在弥合广义相对论与量子力学之间长期存在的鸿沟。

史蒂文斯理工学院与耶鲁大学的物理学家近日启动了一项实验计划，旨在探测引力子——这种假想的引力量子粒子。该合作由伊戈尔·皮科夫斯基（史蒂文斯学院）与杰克·哈里斯（耶鲁大学）主导，首次尝试在物理层面捕获单个引力子。

“量子物理学始于对光与物质的实验研究，”皮科夫斯基表示，“如今我们的目标是将引力纳入实验领域，像一百多年前物理学家研究光子那样探索引力子。”

从引力涟漪到单粒子探测

近一个世纪以来，物理学始终是泾渭分明的领域。一方是爱因斯坦的广义相对论，描述时空在大尺度上的平滑弯曲；另一方则是量子力学，刻画亚原子世界离散的粒子本质。要将这两大支柱统一为“万物理论”，引力必须被量子化，即通过引力子传递相互作用。然而，探测单个引力子长期被视为实验上不可能的任务，使得两大理论之间的桥梁仅停留在猜想层面。

2024年有研究指出，现代量子技术的进步可能将这一设想变为实验现实。探测引力子的关键在于融合引力波天文学与量子工程。研究团队的突破基于两大现代科技成果的巧妙结合：一方面，人类已能通过黑洞碰撞产生的时空涟漪——引力波“聆听”宇宙；另一方面，量子工程技术的成熟使得宏观物体可如同微观原子般被精确操控。正是引力波探测与量子传感的结合，让“不可能”变得可观测。

实验原理：氦振子与能量“踢动”

哈里斯主导的实验使用了一个充满超流体氦的厘米级谐振器。氦被冷却至量子基态，达到绝对静止。理论预测，当遥远星系碰撞产生的引力波穿过实验室时，会向圆柱体注入微小的能量“踢动”——这正是单个引力子存在的证据。谐振器会将引力能量转化为声子（振动的单个量子），研究团队通过高精度激光测量这种振动，从而实现对穿过空间的引力子进行计数。

系统规模化：从微克到千克的跨越

尽管引力子极少与物质相互作用，但将量子探测器从微观尺度扩展到千克级，可形成足够大的“靶标”，最终捕获并解析这些微弱的能量变化。在W. M. 凯克基金会的支持下，皮科夫斯基与哈里斯已启动首个此类实验合作项目，推动引力子探测走向现实。该项目标志着从理论发现到构建实体“引力陷阱”的转折，将量子传感精度推向首次观测引力子所需的高度。

“我们已掌握核心技术工具，”哈里斯表示，“能够在宏观量子系统中检测单量子。现在的关键在于规模化。”通过将技术成功扩展至克级并保持极端灵敏度，团队正在为未来更大规模、能够明确观测引力子的探测器绘制基础蓝图。

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