中國科學家為引力子畫像

今年3月，國際頂級學術(shù)期刊《自然》發(fā)表的一篇論文引發(fā)學術(shù)界轟動：南京大學杜靈杰教授領(lǐng)導的國際團隊報告，首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”。大家在中學物理課上都接觸過原子、電子，引力子又是什么？為何給引力子“畫像”如此重要？

舉足輕重的引力子

引力子究竟是什么？

今日物理學界的共識是，宇宙中存在4種相互作用：電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用以及萬有引力相互作用?？茖W家推測，這些相互作用都是由信使媒介粒子傳遞的，比方說，我們最熟悉的電磁力就由光子傳遞。而引力子，就是萬有引力相互作用的媒介粒子。

當然，要理解引力子，我們還需要回溯一段物理學史。

1913年，愛因斯坦提出萬有引力場論，認為任何帶有質(zhì)量的物體周圍都存在引力場。引力場通過引力波傳播，而引力波的傳播媒介正是引力子。2016年，人類在兩個黑洞碰撞、合并的過程中，首次直接探測到引力波，證實了愛因斯坦的預(yù)言。只是引力子到底什么樣，科學家還一直弄不清楚。

此前，國際物理學界寄望于一系列探索宇宙的大科學裝置，如美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲“室女座”（Virgo）引力波探測器，直接在宇宙中發(fā)現(xiàn)引力子的蹤跡。不過，正應(yīng)了那句古話，“有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭”，讓物理學界意想不到的是，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)物理實驗室。

一個無心插柳的故事

杜靈杰接受的專門物理學訓練，從量子物理開始，后來又轉(zhuǎn)入半導體物理領(lǐng)域。他與引力子的緣分，要從博士后研究時期說起。

2016年，博士畢業(yè)的杜靈杰來到哥倫比亞大學，投入低溫光學的研究。在此，他開始接觸到凝聚態(tài)物理的一大前沿課題——分數(shù)量子霍爾效應(yīng)。這一效應(yīng)只有在低溫強磁場的條件下才能觀察到，杜靈杰所在的實驗室正具備條件。

杜靈杰教授（左二）和學生討論實驗工作

2019年上半年，他與合作者在分數(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。打個比方來說，就像寧靜湖面上突然激起不可勝數(shù)、多姿多樣的漣漪。沒成想，最為這一成果感到激動的是理論物理領(lǐng)域的同行，他們認為這可能是分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子存在的證據(jù)。

分數(shù)量子霍爾效應(yīng)之所以引無數(shù)凝聚態(tài)物理學家競折腰，就在于它關(guān)乎量子力學中許多極其微妙的現(xiàn)象。其中，就有規(guī)律與引力子類似的“分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”。有科學家打趣，稱之為引力子在凝聚態(tài)世界的“投影”。不過，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”，科學家?guī)资陙磉€沒有什么辦法。

回國在即的杜靈杰，會是把握住這次“畫像”良機的那個人嗎？

推開“窗戶”的一刻

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

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

為理想沖刺的機會到了?！?022年12月17日，我把自己關(guān)在房間里，回顧了4個月來的所有實驗數(shù)據(jù)，當天下午，我找到了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中那個最有可能是引力子激發(fā)的微弱信號。”杜靈杰至今還清晰記得機遇終于叩響房門的時間。根據(jù)這個信號，杜靈杰和團隊如愿測量到引力子激發(fā)。

實驗過程藝術(shù)想象圖

不過，將發(fā)現(xiàn)寫成論文投給《自然》，說服物理學界同行的過程不無曲折——一年的審稿時間里，杜靈杰需要反復回應(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國際會議上，有權(quán)威物理學者問他：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，黑夜里我們看到山頂有亮光，便會認為那里有人擦亮了火柴嗎？也可能僅僅是螢火蟲的聚集而已。

“這個問題把我問住了?！倍澎`杰坦言，“分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子激發(fā)到底有哪些特征？這個問題還關(guān)系到其特征能量，而特征能量的問題就像一塊‘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>

要確認引力子激發(fā)的特征能量，需要測量到更小動量的激發(fā)，而這必須以重新設(shè)計實驗為前提。所幸，當初因為缺少液氮不得已采用的“干式路線”，恰恰有利于探測到更低的激發(fā)動量，一切如同天意。

2024年1月，在一場新加坡舉行的低溫物理國際會議上，面對全球研究分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的頂尖專家，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、動量、能量三個角度，充分回應(yīng)了此前的質(zhì)疑。聽到熱烈的掌聲，杜靈杰明白，他已經(jīng)推開了一扇探究引力子物理的全新“窗戶”。

透過窗戶，還能看到什么？杜靈杰和他的同伴們充滿好奇，也充滿力量。

半月談記者：陳席元