点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:引力子物理探索研究展现科学的魅力
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

引力子物理探索研究展现科学的魅力

来源:人民日报2024-05-21 09:23

  图为在分数量子霍尔效应中探测到的引力子激发(示意图)。

  杜灵杰供图

  许多人了解引力的概念是通过牛顿的万有引力定律。从传说中砸中牛顿的苹果到天上飘落的雨滴,引力无处不在;从牛顿力学到爱因斯坦相对论再到弦理论,数百年来科学家对引力与引力子的探索从未间断。引力子研究是物理学的终极问题之一,有人甚至把引力子视作粒子物理学的最后一块拼图,如果能证实引力子的存在,将是当代物理学乃至整个科学领域的重大突破。

  前不久,我所在的科研团队一项最新研究成果在《自然》杂志发表,引发社会关注。我们通过自主设计的实验设备,首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”,这标志着自20世纪30年代引力子概念提出以来,世界范围内首次在真实系统中发现具有引力子特征的准粒子。在引力子物理的探索道路上,我们朝前迈出了重要一步。

  引力子研究对实现广义相对论和量子力学的统一殊为关键

  很长时间以来,物理学家一直追求一种大一统理论,希望用它来解释自然界的所有物理现象。虽然这个目标尚未达成,但这一追求不断推动着物理学的发展,并且深刻影响了科技进步,引发了多次科技革命。例如,牛顿提出的万有引力,统一了地球上的物体和天体的运动规律,并构建了牛顿力学,这直接催生了第一次工业革命;电动力学的研究成功地统一了电与磁的概念,催生了第二次工业革命。而今,广义相对论和量子力学在现代物理学中占据要位,分别成功地应用于宏观和微观世界。这两大理论目前还未能实现统一,科学家们在朝着这个目标努力,期待二者的统一能像历史上每一次重大科学突破那样,引领新一轮科技革命。

  广义相对论作为目前最为成功的引力理论,指出引力的本质不是物体间的吸引力,而是时空弯曲的一种几何效应。这一理论解释了宇宙中的绝大多数宏观现象,并预言了引力波的存在。想象一下,重球会让紧绷的床单形成凹陷,如果你轻轻地推一个小球过去,它会朝着那个凹陷滚动。在这里,床单类似于物理学中的“度规”(用来描述时空形状的概念),而引力波就是一种源自时空度规波动的现象。近年来,随着“中国天眼”(FAST)和激光干涉引力波天文台(LIGO)等国内外大科学装置多次观测到引力波的相关信号,广义相对论中关于引力是时空几何效应的观念已被广泛认可。

  量子力学则在描述微观世界如原子和亚原子尺度的物理规律方面,取得了巨大成功。自量子力学确立以来,物理学家已经将已知的四种基本作用力中的三种——强相互作用力、弱相互作用力和电磁力——成功地统一到量子力学的理论框架内。然而,引力仍未被纳入这一框架中。类似于光子是电磁波在量子世界中的表现,科学家推测引力波在量子世界中的粒子是引力子。物理学家一直试图通过引力子这一概念,将引力融入量子力学的体系,从而实现四种基本作用力的完全统一,也即广义相对论与量子力学的统一。

  引力子研究凭借其在物理学中的重要性,引起广泛而强烈的学术关注。然而,宇宙中的引力子信号很难探测,难度远超引力波。有物理学家指出,即使利用与地球质量相当的理想探测器,也可能需要超过10亿年才会探测到一个来自太阳的引力子。到目前为止,尚未有引力子的实验证据被报道,引力子物理的研究主要还是停留在理论上。

  凝聚态系统中的引力子激发具有和引力子类似的特性

  相较于遥远的宇宙,生活中大部分可见物质都是凝聚态,通常包括固态和液态。凝聚态系统中,大量的电子、分子等单体之间相互作用,导致系统呈现出区别于单体的特征。科学家已经发现凝聚态系统存在着和宇宙中的粒子类似的物理性质。凝聚态物理和量子引力这两个领域开始交汇。

  有理论物理学家提出猜想:在分数量子霍尔态中,可能存在具有引力子特征的准粒子,表现为低能集体激发,即大量电子集体性的能量跃迁——就像平静的湖面上突然激起数不清的、不同形状的涟漪。分数量子霍尔态是一种超越传统固体物理框架的强关联物质形态,代表了当代凝聚态物理学研究的前沿。分数量子霍尔效应只有在极端条件下才会被观测到,它的出现打开了人类认识世界的一扇窗口。分数量子霍尔效应一般可以形象地理解为“特殊电子”(如一个电子与两个磁通量子相结合)在二维平面上沿圆形轨道运动,这些圆形轨道通常被认为是固定不变的。然而,近年来已有物理学家指出:存在一种长期被忽视的量子度规,在这一新框架下,轨道形状是可变的。这种随时间变化的轨道几何形变,能够将“特殊电子”推向同圆心的次近邻轨道,这个效应带来了引力子激发。引力子激发不仅具有和引力子类似的特性,而且还可以通过相应的量子引力方程来描述。

  但是,寻找引力子激发的道路同样挑战重重。

  引力子激发的首次实验发现为量子引力物理开辟了新途径

  引力子激发的探测需要依赖双光子过程的非弹性光散射实验。这种实验对设备的要求极为苛刻且看似矛盾。一方面,实验需要在极低温度下进行(约50毫开尔文,零下273.1摄氏度)并且需要强磁场支持(约10特斯拉),一般通过稀释制冷机来实现;另一方面,实验中使用的可见光及制冷机的透光窗口辐射,容易将温度升至100毫开尔文以上。此外,实验测量也对制冷机脉冲管带来的振动极为敏感。更为复杂的是,由于引力子激发的能量极低(最低可至70吉赫兹),实验需要在微波波段实现共振非弹性光散射测量,即使在室温条件下也极具挑战。因此,这一实验一直被认为是极难完成的任务,无论是从实验技术,还是从基础物理创新角度,都意味着从0到1的突破。

  经过多年努力,南京大学自主设计并集成组装了一套基于稀释制冷技术的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。这台特殊的设备能够在零下273.1摄氏度的环境中捕捉到最低至10吉赫兹的微弱激发并判断其自旋。利用这一先进设备,实验团队近日在砷化镓半导体量子阱中成功观测到分数量子霍尔效应中的引力子激发。通过共振非弹性光散射,团队从自旋、动量和能量的角度确认了引力子激发的实验证据。

  这项工作标志着科学界首次在实验中观察到具有引力子特征的准粒子,首次在真实的凝聚态系统中揭示了引力子物理的量子规律,为探索量子引力物理开辟了新的途径。想象一下,原本可能需要建造行星级别的探测器才能研究引力子的奥秘,如今在一个房间大小的实验设备中,就可以一窥其深奥的物理规律。

  引力子激发的发现,为分数量子霍尔效应的量子几何理论提供了关键实验证据,打开了关联物态的几何效应实验研究的新方向。以往人们在研究分数量子霍尔效应时,主要关心其拓扑性质,而忽视量子几何的重要性,实际上量子几何与拓扑一样,对理解物质的关联性质极为重要。引力子激发的研究,有助于我们更深入地理解物质的微观结构和相互作用机制。未来的新型电子器件和新型材料可能就得益于这种对物质微观结构的更深入理解。此外,引力子激发的研究有助于揭示拓扑量子计算的物理机制,推动相关应用的发展,带来信息处理速度的极大提升,网络通信、大数据、人工智能等领域将迎来新的发展机遇。

  科幻小说《三体》这样描绘基础物理的重要性:当一个文明掌握了更加基础的物理规律之后,可以发展出领先于其他文明的科技水平。有关引力子的探索研究,正是基础物理的重要组成。目前,引力子激发这一实验发现,已经引起世界范围内科学工作者关注。很多理论物理学家已经投入到凝聚态宇宙的量子引力物理研究中,提出了有趣且富有想象力的研究方案。这给予我们实验物理工作者很大启发,我们将继续推进相关研究,升级实验设备,从而更好探索奇妙的物理世界,以科学研究为发展新质生产力作出贡献。

  (作者为南京大学物理学院教授)

   推荐读物

  《从零开始读懂量子力学》:戴瑾编著;北京大学出版社出版。

  《通往实在之路》:罗杰·彭罗斯著,王文浩译;湖南科学技术出版社出版。

  《最初三分钟:关于宇宙起源的现代观点》:史蒂文·温伯格著,王丽译;重庆大学出版社出版。

[ 责编:宋雅娟 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 第九届进博会丨开幕在即

  • 乌镇峰会向公众开放

独家策划

推荐阅读
此次研究旨在将结构知识融入大规模序列学习,同时保持模型在不同结构与功能任务中的适应性和泛化能力。中国科大生物医学工程学院博士朱河勤为论文第一作者,该校教授周少华和特任研究员熊鹏为该文章共同通讯作者。
2026-11-05 09:18
创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。习近平总书记指出,“着眼发展新质生产力,强化科技创新和产业创新深度融合,建设具有国际竞争力的现代化产业体系”。
2026-11-05 04:25
每年这个时节,乌镇处处都会涌动着创新的生机与活力——由于世界互联网大会乌镇峰会的约定,各方宾客带来最前沿的技术、最先进的成果、最领先的思想,让这里成为世界观察中国数字发展、中国参与全球数字治理的窗口。
2026-11-05 04:25
和前些年一样,有人买家具,有人囤化妆品,但今年有些不同的是,有直播间的评论区里刷出“3、2、1,上Token”,AI软件的会员月卡成了直播间里的抢手货。随着AI覆盖面的扩大,Token消耗量越来越大,不少AI软件已经出现了免费的大模型需要排队的情况,如果没有付费,等待时间就要变长。
2026-11-05 09:17
人类社会到底需不需要通用人工智能(AGI)?这个问题不能只从技术能力的层面回答。人类社会发展从来不是单纯追求“能力越大越好”,而是追求一种能被人类理解、被人类约束、出了错还能纠正的能力。
2026-11-05 04:25
西北戈壁滩上,多方向、多批次自杀式无人机集群低空掠过,高速冲向目标。“我们聚焦制约激光反无装备性能的关键技术,持续多年开展攻关,先后破解光纤拉制、散热控温、精准打击等难题。
2026-11-04 09:55
1.75万辆北斗高精度共享电单车服务超600万人次,“5G+北斗”低空空域监视通信专网填补空白……近期,第五届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲举行,一项项北斗应用惊艳亮相。聚力卫星研制、终端制造、场景示范、国际合作,“北斗之城”将迸发出更大能量,成为中部崛起的强劲力量。
2026-11-04 09:49
今年8月,在2026世界机器人大会举办期间,全国首个具身机器人演出“沙盒审批”试点在北京亦庄落地,首形科技(北京)有限公司、北京中科慧灵具身智能科技有限公司、阿卡帕尼(北京)机器人有限公司三家企业获颁《具身机器人演出“沙盒审批”准入证明》。北京经开区已率先落地全国首个数字人营业性演出沙盒试点,如今演出“沙盒审批”已从虚拟数字人延伸至实体机器人。
2026-11-04 09:48
今年“双十一”电商大促,Token(词元)以独立品类在多个电商平台上架,看不见、摸不着的算力服务,变成可以下单的商品。青海西宁市民苏国庆是一名短视频爱好者,为了让视频呈现更好的效果,趁着电商大促,他“囤”了不少Token。
2026-11-04 09:45
“十五五”规划纲要提出,面向生物育种、生产管理、疫病防治等场景加快农业数智化升级。站在“十五五”开局之年,我国数智技术加速赋能千行百业,成为驱动经济发展的创新动力。
2026-11-04 04:20
11月3日8时15分,力箭二号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的千帆极轨21组卫星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-11-03 09:33
2026年5月,国务院印发《加快农业农村现代化“十五五”规划》,对“健全现代农业经营服务体系”进行部署,强调“将先进适用品种、技术、装备引入小农户”“促进小农户和现代农业发展有机衔接”。
2026-11-03 03:55
近日,中共中央、国务院印发《关于发展新质生产力的意见》,对“改造提升传统产业”作出系统部署,并将其作为推动科技创新和产业创新深度融合的重要任务之一。
2026-11-03 03:55
1983年2月,“两弹一星”元勋钱学森给中国科学院院士李正武写了一封信。信件仅200余字,没有客套寒暄,却映照出两位“患难之交”的深厚情谊和默契。
2026-11-03 03:55
近日,中国科学院昆明动物研究所科研人员联合缅甸同行,在缅甸伊洛瓦底江水系发现宝鳊属一鱼类新种——蓝纹宝鳊。相关成果已发表在国际期刊《动物分类杂志》上。
2026-11-03 03:55
广东油柑、贵州抹茶、四川栀子花、西藏青稞,这些作物有几百年甚至上千年的种植史。祖祖辈辈种下来,为什么偏偏这几年,被一杯奶茶给带火了?
2026-11-02 09:53
2026世界顶尖科学家论坛开幕式暨颁奖典礼、主论坛日前在上海举行。颁奖典礼上,11位科学家分别获颁2026世界顶尖科学家奖“智能科学或数学奖”、2026世界顶尖科学家奖“生命科学或医学奖”和今年增设的2026世界顶尖科学家奖“青年科学家奖”。
2026-11-02 09:59
10月31日,以“万物智联共创未来”为主题的2026世界物联网博览会在江苏无锡举办开幕式,无锡国家人工智能产业创新应用先导区建设在本次大会同步启动。
2026-11-02 09:57
生物多样性是人类赖以生存发展的重要基础,对生物多样性的威胁也是全球面临的三大环境危机之一。海洋生物多样性对保障海洋生态安全、促进海洋可持续发展、实现人海和谐共生具有重要作用。在气候变化与人类活动双重压力下,海洋生物多样性治理是各国共同的责任使命。
2026-11-02 10:03
1日,国家海洋环境预报中心正式发布“妈祖”海洋预报数值模式2.0版本。据悉,升级至2.0版本后,“妈祖”海洋预报数值模式预报分辨率进一步提升,应用场景进一步拓展,自主可控水平进一步增强。
2026-11-02 09:58
加载更多