探测单个引力子：量子科技的新奇迹？

摘要：你有没有听说过引力子（graviton）？它是一种在理论上存在、但目前还未探测到的粒子。之所以会有这个设想，是因为物理学大厦现在有两根支柱：量子力学和相对论。这两个理论目前还没有完全统一起来。

展开探测单个引力子：量子科技的新奇迹？ | 袁岚峰

你有没有听说过引力子（graviton）？它是一种在理论上存在、但目前还未探测到的粒子。之所以会有这个设想，是因为物理学大厦现在有两根支柱：量子力学和相对论。这两个理论目前还没有完全统一起来。

在量子力学中，每一种力都是通过交换某种粒子来传递的。一个常用的比喻是，滑冰场上两个人互相投掷一个篮球，反冲作用就会导致两人不断远离，在远处看起来，就会感觉两人之间存在斥力。目前已知大自然的基本相互作用有四种，其中三种都能用量子力学描述得很好，分别是：电磁力由光子传递，强相互作用由胶子传递，弱相互作用由W玻色子和Z玻色子传递。

但还有第四种，也就是我们最早知道的那种，万有引力（gravity），目前还没法用量子力学描述。我们现在对引力最好的描述是广义相对论，但它是个关于时空的理论，不是关于微观的理论。假如引力也遵循量子力学，那么就应该存在引力子，这是苏联物理学家马特维·布朗施泰因（Matvei Bronstein，1906 - 1938）在1936年提出的。这就是大多数物理学家都相信引力子存在的原因，至少是不反对。

也许你还听说过引力波（gravitational Wave），知道2015年人类第一次探测到了引力波，三位科学家因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。引力波和引力子是什么关系呢？引力波是由很多个引力子组成的。探测引力波已经非常困难了，所以探测单个引力子就更加困难得不可思议了！

实际上，2017年12月18日，我就见到过2017年诺贝尔物理学奖的三位得主雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里•巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），在中国科学技术大学上海研究院墨子沙龙的引力波大会上（听三位诺贝尔奖得主讲引力波 | 袁岚峰）。当时就有观众问，我们是不是快探测到引力子了？结果诺贝尔奖获得者的回答是：理论分析表明，引力子的数量是如此巨大，以至于几乎无法探测到单个的引力子。我的估计是，我们这一代看不到，你这一代看不到，你的下一代也看不到。

以上这些都是旧闻。然而最近奇峰突起，有人在《自然·通讯》发表一篇文章，提出了一种方法，认为有可能在实验室观察到单个引力子！我的科大师妹、重庆大学物理学院副教授“弦论世界”周思益博士和她的朋友、四川大学物理学院助理研究员李政阳博士在我的科普平台“风云之声”写了一篇文章《我们真的能抓住一个引力子吗？| 周思益、李政阳》，介绍了这个巧妙的设想。下面，我就来向大家介绍一下为什么引力子探测这么难，这个新的设想又妙在何处。

首先，光和引力具有非常多的相似性。在标准理论中，光子和引力子都没有质量，所以电磁力和引力都是长程力，它们传播的速度都是光速。

然而，光子和引力子也有显著的区别。单个光子早就能探测到，例如通过光电效应。甚至，人和青蛙的眼睛都能看到几个光子。近年来，中国科学家开发了效率很高的单光子探测器。在此基础上，中国科学技术大学潘建伟院士、徐飞虎教授等实现了远距离单光子三维成像（单光子相机：如何实现“雾里看花” | 徐飞虎）。

但是探测单个引力子，却至今没有实现。你在地上跳一跳，就有不计其数的引力子发射出来，你很难把它分成单个的引力子。归根结底，这是因为引力非常弱。它比电磁力弱36个量级，比弱相互作用弱25个量级，简直是弱得出奇（细推物理须行乐，何用浮名绊此身——纪念李政道先生 | 袁岚峰）。还可以举个日常生活中的例子：你用一块小小的磁铁就可以把一块铁从地上吸起来，这说明这块小小的磁铁的磁力比整个地球给这块铁的引力还大！

我们再来看看引力波，它的效应是让某个方向的长度发生一定比例的变化。目前在地球上探测到的引力波，导致的典型变化比例是10的-21次方。这是个什么概念呢？美国的LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）和欧洲的VIRGO（Virgo Interferometer，室女座干涉仪）这两个引力波探测器使用相距4公里左右的一对镜子，在两个黑洞合并产生的引力波扫过地球的时候，这对镜子的距离会伸长或缩短10的-18次方米。在100赫兹的频率下，这种波携带的引力子超过10的36次方个。这么多引力子才能使距离变化这么一点点！弗里曼·戴森（Freeman Dyson，1923 - 2020）计算了在LIGO中检测单个引力子所需的灵敏度，答案是远低于普朗克长度（10的-35次方米）。这真是离谱他妈给离谱开门——离谱到家了！因此，戴森推测，可能永远无法检测到引力子。

还有什么别的思路吗？有一种设想，是利用原子的自发辐射和受激辐射。学过原子物理的人都知道，原子可以自发辐射与受激辐射光子。激光就是用光子的受激辐射实现的。事实上，原子也可以自发辐射和受激辐射引力子。那么，能不能探测到原子辐射出的单个引力子？答案仍然是不能。史蒂文·温伯格（Steven Weinberg，1933 - 2021）在《引力论和宇宙论》中计算过，单原子自发辐射单个引力子的频率大约是10的-44次方赫兹，也就是说10的44次方秒才有一次。这么低的频率，真是应了凯恩斯的名言：“在长期，我们都死了。”（In the long run, we are all dead.）

既然有这么多大科学家都说探测引力子不可能，现在又想出了什么好办法呢？这篇论文发表于2024年8月，标题叫做《用量子传感探测引力子》（Detecting single gravitons with quantum sensing），作者是美国斯蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）的Igor Pikovski等人。新方案提出了两种增强机制：（1）用引力波引发物质中的单引力子跃迁过程；（2）在宏观质量尺度上制备量子系统，与对单个能量量子的连续测量相结合。通过这两个新手段，有望极大地放大单个引力子的效应，使它变得可测。

具体而言，他们提出使用宏观质量尺度的量子系统作为受激吸收和辐射引力子的介质，然后测量其系统受激吸收引力子的能级跃迁过程。这个宏观质量尺度的量子系统是什么呢？他们考虑用铝棒（或其它类似材料）组成的声学谐振器。

咦，怎么又是铝棒？！对引力波有了解的人，听到铝棒这个词就会想到“韦伯棒”（Weber bar）。这是历史上探测引力波的第一个方案，美国物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber，1919 - 2000）在1960年提出。他认为用一个巨大的铝棒就可以探测到引力波。韦伯的这个方案最终被证明是不成功的，但他开创了整个引力波探测领域，所以2017年诺贝尔物理学奖的三位获得者还是在领奖时感谢了他。假如将来真的用铝棒探测到了引力子，那绝对会成为佳话了！

具体的探测过程如图所示。首先有一些剧烈的天体活动会产生引力波，例如双星环绕。当这样的引力波传到地球时，其中一个引力子可能被铝棒受激吸收，使铝棒从基态跃迁到激发态。激发态和基态之间的能量差等于被吸收的引力子能量。铝棒所处的量子态被全程监测，所以发生这样的跃迁时，我们就知道来了一个引力子。具体而言，是把引力子转化为声的效应。好比用木棍敲一敲这个铝棒，声音就会从铝棒的一端传到另一端。

这个实验设计巧妙在何处？研究发现，处于量子相干态的铝棒受激吸收和辐射单个引力子的频率与其质量成正比。也就是说铝棒的质量越大，其吸收和辐射单个引力子的频率就越高。令人振奋的是，当振幅大约为10的-22次方的引力波通过一个半径0.5米、质量1800公斤的铝棒时，铝棒受激吸收单个引力子的频率约为1赫兹。同样的，铝棒从激发态回到基态时，受激辐射单个引力子的频率也是约1赫兹。也就是说，这个铝棒能够一秒钟吸收或辐射一个引力子。这个频率非常合适实验探测，因为既不会太快导致很多事件混在一起，又不是太慢使得人一生只能观察到几个事件。

这个实验的关键有两点。第一点是，它必须和LIGO、VIRGO这样的引力波探测器进行交叉比对。因为LIGO、VIRGO知道扫过地球的引力波的频率，从而确定单个引力子的频率，这样就可以知道这个频率能不能使给定能级的基态原子跃迁到激发态。第二点是，必须确保1800公斤的铝棒里面绝大多数铝原子都处于基态。思路很简单，就是降温。在某些材料制作的棒子上，只需要10 mK就可以了，这完全在目前的技术水平之内。实验的误差主要来自热噪声，因为热噪声产生的信号和引力子激发产生的信号非常相似，容易以假乱真。不过没关系，我们只需要让预估的热噪声产生的激发事件率小于预估的引力子激发的事件率。如果我们仍然观测到预估的那么多事件，就说明在一定的置信度下，引力子激发的事件是存在的。根据此文的评估，所需的实验技术在不远的将来都能实现。

将爱因斯坦的引力理论与量子力学融合，是当代物理学的主要未解问题之一。单引力子探测是对量子引力的直接证据，迄今为止被认为是不可能的任务。因此，Pikovski等人提出的实验可能成为量子引力研究的一个里程碑。

此外，这篇文章标题中的量子传感（quantum sensing），又称为量子精密测量（quantum metrology），它正是我讲的最多的领域即量子信息的三个分支之一：量子通信、量子计算和量子精密测量。经典的韦伯棒测不出引力波，而量子的新韦伯棒居然有可能测出比引力波更弱的引力子，这是一个非常生动的例子，凸显出量子科技的巨大潜力。精密测量的未来，必然属于量子。