中國(guó)科學(xué)家為引力子畫(huà)像

今年3月，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表的一篇論文引發(fā)學(xué)術(shù)界轟動(dòng)：南京大學(xué)杜靈杰教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)報(bào)告，首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”。大家在中學(xué)物理課上都接觸過(guò)原子、電子，引力子又是什么？為何給引力子“畫(huà)像”如此重要？

舉足輕重的引力子

引力子究竟是什么？

今日物理學(xué)界的共識(shí)是，宇宙中存在4種相互作用：電磁相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用以及萬(wàn)有引力相互作用?？茖W(xué)家推測(cè)，這些相互作用都是由信使媒介粒子傳遞的，比方說(shuō)，我們最熟悉的電磁力就由光子傳遞。而引力子，就是萬(wàn)有引力相互作用的媒介粒子。

當(dāng)然，要理解引力子，我們還需要回溯一段物理學(xué)史。

1913年，愛(ài)因斯坦提出萬(wàn)有引力場(chǎng)論，認(rèn)為任何帶有質(zhì)量的物體周?chē)即嬖谝?chǎng)。引力場(chǎng)通過(guò)引力波傳播，而引力波的傳播媒介正是引力子。2016年，人類(lèi)在兩個(gè)黑洞碰撞、合并的過(guò)程中，首次直接探測(cè)到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言。只是引力子到底什么樣，科學(xué)家還一直弄不清楚。

此前，國(guó)際物理學(xué)界寄望于一系列探索宇宙的大科學(xué)裝置，如美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）、歐洲“室女座”（Virgo）引力波探測(cè)器，直接在宇宙中發(fā)現(xiàn)引力子的蹤跡。不過(guò)，正應(yīng)了那句古話，“有心栽花花不開(kāi)，無(wú)心插柳柳成蔭”，讓物理學(xué)界意想不到的是，首先看到引力子影蹤的地方，居然是地球上一間小小的凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室。

一個(gè)無(wú)心插柳的故事

杜靈杰接受的專(zhuān)門(mén)物理學(xué)訓(xùn)練，從量子物理開(kāi)始，后來(lái)又轉(zhuǎn)入半導(dǎo)體物理領(lǐng)域。他與引力子的緣分，要從博士后研究時(shí)期說(shuō)起。

2016年，博士畢業(yè)的杜靈杰來(lái)到哥倫比亞大學(xué)，投入低溫光學(xué)的研究。在此，他開(kāi)始接觸到凝聚態(tài)物理的一大前沿課題——分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。這一效應(yīng)只有在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下才能觀察到，杜靈杰所在的實(shí)驗(yàn)室正具備條件。

杜靈杰教授（左二）和學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)工作

2019年上半年，他與合作者在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中觀察到一種新的集體激發(fā)——也就是大量電子集體性的能量躍遷。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，就像寧?kù)o湖面上突然激起不可勝數(shù)、多姿多樣的漣漪。沒(méi)成想，最為這一成果感到激動(dòng)的是理論物理領(lǐng)域的同行，他們認(rèn)為這可能是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子存在的證據(jù)。

分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)之所以引無(wú)數(shù)凝聚態(tài)物理學(xué)家競(jìng)折腰，就在于它關(guān)乎量子力學(xué)中許多極其微妙的現(xiàn)象。其中，就有規(guī)律與引力子類(lèi)似的“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”。有科學(xué)家打趣，稱(chēng)之為引力子在凝聚態(tài)世界的“投影”。不過(guò)，就像我們很難捉住自己的影子一樣，想要了解這一玄之又玄的“投影”，科學(xué)家?guī)资陙?lái)還沒(méi)有什么辦法。

回國(guó)在即的杜靈杰，會(huì)是把握住這次“畫(huà)像”良機(jī)的那個(gè)人嗎？

推開(kāi)“窗戶(hù)”的一刻

2019年，杜靈杰回到母校南京大學(xué)。白手起家的他，心里裝的大問(wèn)題，還是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。

實(shí)驗(yàn)必需的液氮獲取不易，迫使他改變技術(shù)路線；中國(guó)南方的潮濕環(huán)境往往會(huì)折損激光的效果，他只能和同事們反復(fù)想辦法調(diào)試……克服了一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，杜靈杰在南大搭起的實(shí)驗(yàn)裝置足有兩層樓高，這時(shí)，已是2022年8月。

為理想沖刺的機(jī)會(huì)到了?！?022年12月17日，我把自己關(guān)在房間里，回顧了4個(gè)月來(lái)的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)天下午，我找到了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中那個(gè)最有可能是引力子激發(fā)的微弱信號(hào)。”杜靈杰至今還清晰記得機(jī)遇終于叩響房門(mén)的時(shí)間。根據(jù)這個(gè)信號(hào)，杜靈杰和團(tuán)隊(duì)如愿測(cè)量到引力子激發(fā)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程藝術(shù)想象圖

不過(guò)，將發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成論文投給《自然》，說(shuō)服物理學(xué)界同行的過(guò)程不無(wú)曲折——一年的審稿時(shí)間里，杜靈杰需要反復(fù)回應(yīng)審稿人關(guān)于“證據(jù)不足”的質(zhì)疑。

2023年7月，在西班牙圣塞巴斯蒂安舉行的一場(chǎng)國(guó)際會(huì)議上，有權(quán)威物理學(xué)者問(wèn)他：引力子激發(fā)的自旋為2，那是不是所有自旋為2的激發(fā)，都是引力子激發(fā)呢？

就好比說(shuō)，黑夜里我們看到山頂有亮光，便會(huì)認(rèn)為那里有人擦亮了火柴嗎？也可能僅僅是螢火蟲(chóng)的聚集而已。

“這個(gè)問(wèn)題把我問(wèn)住了?！倍澎`杰坦言，“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子激發(fā)到底有哪些特征？這個(gè)問(wèn)題還關(guān)系到其特征能量，而特征能量的問(wèn)題就像一塊‘硬骨頭’，梗在凝聚態(tài)物理中30多年，之前大家都在回避，我們第一稿也回避了它，這正是審稿人要退稿的原因?！?/p>

要確認(rèn)引力子激發(fā)的特征能量，需要測(cè)量到更小動(dòng)量的激發(fā)，而這必須以重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為前提。所幸，當(dāng)初因?yàn)槿鄙僖旱坏靡巡捎玫摹案墒铰肪€”，恰恰有利于探測(cè)到更低的激發(fā)動(dòng)量，一切如同天意。

2024年1月，在一場(chǎng)新加坡舉行的低溫物理國(guó)際會(huì)議上，面對(duì)全球研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的頂尖專(zhuān)家，杜靈杰亮出了在砷化鎵量子阱中觀察到的新證據(jù)，從自旋、動(dòng)量、能量三個(gè)角度，充分回應(yīng)了此前的質(zhì)疑。聽(tīng)到熱烈的掌聲，杜靈杰明白，他已經(jīng)推開(kāi)了一扇探究引力子物理的全新“窗戶(hù)”。

透過(guò)窗戶(hù)，還能看到什么？杜靈杰和他的同伴們充滿(mǎn)好奇，也充滿(mǎn)力量。

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