許多人了解引力的概念是通過牛頓的萬有引力定律。從傳說中砸中牛頓的蘋果到天上飄落的雨滴，引力無處不在；從牛頓力學(xué)到愛因斯坦相對論再到弦理論，數(shù)百年來科學(xué)家對引力與引力子的探索從未間斷。引力子研究是物理學(xué)的終極問題之一，有人甚至把引力子視作粒子物理學(xué)的最后一塊拼圖，如果能證實引力子的存在，將是當(dāng)代物理學(xué)乃至整個科學(xué)領(lǐng)域的重大突破。
前不久，我所在的科研團(tuán)隊一項最新研究成果在《自然》雜志發(fā)表，引發(fā)社會關(guān)注。我們通過自主設(shè)計的實驗設(shè)備，首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”，這標(biāo)志著自20世紀(jì)30年代引力子概念提出以來，世界范圍內(nèi)首次在真實系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)具有引力子特征的準(zhǔn)粒子。在引力子物理的探索道路上，我們朝前邁出了重要一步。
引力子研究對實現(xiàn)廣義相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一殊為關(guān)鍵
很長時間以來，物理學(xué)家一直追求一種大一統(tǒng)理論，希望用它來解釋自然界的所有物理現(xiàn)象。雖然這個目標(biāo)尚未達(dá)成，但這一追求不斷推動著物理學(xué)的發(fā)展，并且深刻影響了科技進(jìn)步，引發(fā)了多次科技革命。例如，牛頓提出的萬有引力，統(tǒng)一了地球上的物體和天體的運(yùn)動規(guī)律，并構(gòu)建了牛頓力學(xué)，這直接催生了第一次工業(yè)革命；電動力學(xué)的研究成功地統(tǒng)一了電與磁的概念，催生了第二次工業(yè)革命。而今，廣義相對論和量子力學(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)中占據(jù)要位，分別成功地應(yīng)用于宏觀和微觀世界。這兩大理論目前還未能實現(xiàn)統(tǒng)一，科學(xué)家們在朝著這個目標(biāo)努力，期待二者的統(tǒng)一能像歷史上每一次重大科學(xué)突破那樣，引領(lǐng)新一輪科技革命。
廣義相對論作為目前最為成功的引力理論，指出引力的本質(zhì)不是物體間的吸引力，而是時空彎曲的一種幾何效應(yīng)。這一理論解釋了宇宙中的絕大多數(shù)宏觀現(xiàn)象，并預(yù)言了引力波的存在。想象一下，重球會讓緊繃的床單形成凹陷，如果你輕輕地推一個小球過去，它會朝著那個凹陷滾動。在這里，床單類似于物理學(xué)中的“度規(guī)”（用來描述時空形狀的概念），而引力波就是一種源自時空度規(guī)波動的現(xiàn)象。近年來，隨著“中國天眼”（FAST）和激光干涉引力波天文臺（LIGO）等國內(nèi)外大科學(xué)裝置多次觀測到引力波的相關(guān)信號，廣義相對論中關(guān)于引力是時空幾何效應(yīng)的觀念已被廣泛認(rèn)可。
量子力學(xué)則在描述微觀世界如原子和亞原子尺度的物理規(guī)律方面，取得了巨大成功。自量子力學(xué)確立以來，物理學(xué)家已經(jīng)將已知的四種基本作用力中的三種——強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力——成功地統(tǒng)一到量子力學(xué)的理論框架內(nèi)。然而，引力仍未被納入這一框架中。類似于光子是電磁波在量子世界中的表現(xiàn)，科學(xué)家推測引力波在量子世界中的粒子是引力子。物理學(xué)家一直試圖通過引力子這一概念，將引力融入量子力學(xué)的體系，從而實現(xiàn)四種基本作用力的完全統(tǒng)一，也即廣義相對論與量子力學(xué)的統(tǒng)一。
引力子研究憑借其在物理學(xué)中的重要性，引起廣泛而強(qiáng)烈的學(xué)術(shù)關(guān)注。然而，宇宙中的引力子信號很難探測，難度遠(yuǎn)超引力波。有物理學(xué)家指出，即使利用與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)睦硐胩綔y器，也可能需要超過10億年才會探測到一個來自太陽的引力子。到目前為止，尚未有引力子的實驗證據(jù)被報道，引力子物理的研究主要還是停留在理論上。
凝聚態(tài)系統(tǒng)中的引力子激發(fā)具有和引力子類似的特性
相較于遙遠(yuǎn)的宇宙，生活中大部分可見物質(zhì)都是凝聚態(tài)，通常包括固態(tài)和液態(tài)。凝聚態(tài)系統(tǒng)中，大量的電子、分子等單體之間相互作用，導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)出區(qū)別于單體的特征?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)凝聚態(tài)系統(tǒng)存在著和宇宙中的粒子類似的物理性質(zhì)。凝聚態(tài)物理和量子引力這兩個領(lǐng)域開始交匯。
有理論物理學(xué)家提出猜想：在分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)中，可能存在具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，表現(xiàn)為低能集體激發(fā)，即大量電子集體性的能量躍遷——就像平靜的湖面上突然激起數(shù)不清的、不同形狀的漣漪。分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)是一種超越傳統(tǒng)固體物理框架的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)形態(tài)，代表了當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)研究的前沿。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)只有在極端條件下才會被觀測到，它的出現(xiàn)打開了人類認(rèn)識世界的一扇窗口。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)一般可以形象地理解為“特殊電子”（如一個電子與兩個磁通量子相結(jié)合）在二維平面上沿圓形軌道運(yùn)動，這些圓形軌道通常被認(rèn)為是固定不變的。然而，近年來已有物理學(xué)家指出：存在一種長期被忽視的量子度規(guī)，在這一新框架下，軌道形狀是可變的。這種隨時間變化的軌道幾何形變，能夠?qū)?ldquo;特殊電子”推向同圓心的次近鄰軌道，這個效應(yīng)帶來了引力子激發(fā)。引力子激發(fā)不僅具有和引力子類似的特性，而且還可以通過相應(yīng)的量子引力方程來描述。
但是，尋找引力子激發(fā)的道路同樣挑戰(zhàn)重重。
引力子激發(fā)的首次實驗發(fā)現(xiàn)為量子引力物理開辟了新途徑
引力子激發(fā)的探測需要依賴雙光子過程的非彈性光散射實驗。這種實驗對設(shè)備的要求極為苛刻且看似矛盾。一方面，實驗需要在極低溫度下進(jìn)行（約50毫開爾文，零下273.1攝氏度）并且需要強(qiáng)磁場支持（約10特斯拉），一般通過稀釋制冷機(jī)來實現(xiàn)；另一方面，實驗中使用的可見光及制冷機(jī)的透光窗口輻射，容易將溫度升至100毫開爾文以上。此外，實驗測量也對制冷機(jī)脈沖管帶來的振動極為敏感。更為復(fù)雜的是，由于引力子激發(fā)的能量極低（最低可至70吉赫茲），實驗需要在微波波段實現(xiàn)共振非彈性光散射測量，即使在室溫條件下也極具挑戰(zhàn)。因此，這一實驗一直被認(rèn)為是極難完成的任務(wù)，無論是從實驗技術(shù)，還是從基礎(chǔ)物理創(chuàng)新角度，都意味著從0到1的突破。
經(jīng)過多年努力，南京大學(xué)自主設(shè)計并集成組裝了一套基于稀釋制冷技術(shù)的極低溫強(qiáng)磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。這臺特殊的設(shè)備能夠在零下273.1攝氏度的環(huán)境中捕捉到最低至10吉赫茲的微弱激發(fā)并判斷其自旋。利用這一先進(jìn)設(shè)備，實驗團(tuán)隊近日在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中成功觀測到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子激發(fā)。通過共振非彈性光散射，團(tuán)隊從自旋、動量和能量的角度確認(rèn)了引力子激發(fā)的實驗證據(jù)。
這項工作標(biāo)志著科學(xué)界首次在實驗中觀察到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，首次在真實的凝聚態(tài)系統(tǒng)中揭示了引力子物理的量子規(guī)律，為探索量子引力物理開辟了新的途徑。想象一下，原本可能需要建造行星級別的探測器才能研究引力子的奧秘，如今在一個房間大小的實驗設(shè)備中，就可以一窺其深奧的物理規(guī)律。
引力子激發(fā)的發(fā)現(xiàn)，為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的量子幾何理論提供了關(guān)鍵實驗證據(jù)，打開了關(guān)聯(lián)物態(tài)的幾何效應(yīng)實驗研究的新方向。以往人們在研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)時，主要關(guān)心其拓?fù)湫再|(zhì)，而忽視量子幾何的重要性，實際上量子幾何與拓?fù)湟粯?，對理解物質(zhì)的關(guān)聯(lián)性質(zhì)極為重要。引力子激發(fā)的研究，有助于我們更深入地理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和相互作用機(jī)制。未來的新型電子器件和新型材料可能就得益于這種對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的更深入理解。此外，引力子激發(fā)的研究有助于揭示拓?fù)淞孔佑嬎愕奈锢頇C(jī)制，推動相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展，帶來信息處理速度的極大提升，網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)展機(jī)遇。
科幻小說《三體》這樣描繪基礎(chǔ)物理的重要性：當(dāng)一個文明掌握了更加基礎(chǔ)的物理規(guī)律之后，可以發(fā)展出領(lǐng)先于其他文明的科技水平。有關(guān)引力子的探索研究，正是基礎(chǔ)物理的重要組成。目前，引力子激發(fā)這一實驗發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)引起世界范圍內(nèi)科學(xué)工作者關(guān)注。很多理論物理學(xué)家已經(jīng)投入到凝聚態(tài)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。這給予我們實驗物理工作者很大啟發(fā)，我們將繼續(xù)推進(jìn)相關(guān)研究，升級實驗設(shè)備，從而更好探索奇妙的物理世界，以科學(xué)研究為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力作出貢獻(xiàn)。
許多人了解引力的概念是通過牛頓的萬有引力定律。從傳說中砸中牛頓的蘋果到天上飄落的雨滴，引力無處不在；從牛頓力學(xué)到愛因斯坦相對論再到弦理論，數(shù)百年來科學(xué)家對引力與引力子的探索從未間斷。引力子研究是物理學(xué)的終極問題之一，有人甚至把引力子視作粒子物理學(xué)的最后一塊拼圖，如果能證實引力子的存在，將是當(dāng)代物理學(xué)乃至整個科學(xué)領(lǐng)域的重大突破。
前不久，我所在的科研團(tuán)隊一項最新研究成果在《自然》雜志發(fā)表，引發(fā)社會關(guān)注。我們通過自主設(shè)計的實驗設(shè)備，首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”，這標(biāo)志著自20世紀(jì)30年代引力子概念提出以來，世界范圍內(nèi)首次在真實系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)具有引力子特征的準(zhǔn)粒子。在引力子物理的探索道路上，我們朝前邁出了重要一步。
引力子研究對實現(xiàn)廣義相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一殊為關(guān)鍵
很長時間以來，物理學(xué)家一直追求一種大一統(tǒng)理論，希望用它來解釋自然界的所有物理現(xiàn)象。雖然這個目標(biāo)尚未達(dá)成，但這一追求不斷推動著物理學(xué)的發(fā)展，并且深刻影響了科技進(jìn)步，引發(fā)了多次科技革命。例如，牛頓提出的萬有引力，統(tǒng)一了地球上的物體和天體的運(yùn)動規(guī)律，并構(gòu)建了牛頓力學(xué)，這直接催生了第一次工業(yè)革命；電動力學(xué)的研究成功地統(tǒng)一了電與磁的概念，催生了第二次工業(yè)革命。而今，廣義相對論和量子力學(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)中占據(jù)要位，分別成功地應(yīng)用于宏觀和微觀世界。這兩大理論目前還未能實現(xiàn)統(tǒng)一，科學(xué)家們在朝著這個目標(biāo)努力，期待二者的統(tǒng)一能像歷史上每一次重大科學(xué)突破那樣，引領(lǐng)新一輪科技革命。
廣義相對論作為目前最為成功的引力理論，指出引力的本質(zhì)不是物體間的吸引力，而是時空彎曲的一種幾何效應(yīng)。這一理論解釋了宇宙中的絕大多數(shù)宏觀現(xiàn)象，并預(yù)言了引力波的存在。想象一下，重球會讓緊繃的床單形成凹陷，如果你輕輕地推一個小球過去，它會朝著那個凹陷滾動。在這里，床單類似于物理學(xué)中的“度規(guī)”（用來描述時空形狀的概念），而引力波就是一種源自時空度規(guī)波動的現(xiàn)象。近年來，隨著“中國天眼”（FAST）和激光干涉引力波天文臺（LIGO）等國內(nèi)外大科學(xué)裝置多次觀測到引力波的相關(guān)信號，廣義相對論中關(guān)于引力是時空幾何效應(yīng)的觀念已被廣泛認(rèn)可。
量子力學(xué)則在描述微觀世界如原子和亞原子尺度的物理規(guī)律方面，取得了巨大成功。自量子力學(xué)確立以來，物理學(xué)家已經(jīng)將已知的四種基本作用力中的三種——強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力——成功地統(tǒng)一到量子力學(xué)的理論框架內(nèi)。然而，引力仍未被納入這一框架中。類似于光子是電磁波在量子世界中的表現(xiàn)，科學(xué)家推測引力波在量子世界中的粒子是引力子。物理學(xué)家一直試圖通過引力子這一概念，將引力融入量子力學(xué)的體系，從而實現(xiàn)四種基本作用力的完全統(tǒng)一，也即廣義相對論與量子力學(xué)的統(tǒng)一。
引力子研究憑借其在物理學(xué)中的重要性，引起廣泛而強(qiáng)烈的學(xué)術(shù)關(guān)注。然而，宇宙中的引力子信號很難探測，難度遠(yuǎn)超引力波。有物理學(xué)家指出，即使利用與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)睦硐胩綔y器，也可能需要超過10億年才會探測到一個來自太陽的引力子。到目前為止，尚未有引力子的實驗證據(jù)被報道，引力子物理的研究主要還是停留在理論上。
凝聚態(tài)系統(tǒng)中的引力子激發(fā)具有和引力子類似的特性
相較于遙遠(yuǎn)的宇宙，生活中大部分可見物質(zhì)都是凝聚態(tài)，通常包括固態(tài)和液態(tài)。凝聚態(tài)系統(tǒng)中，大量的電子、分子等單體之間相互作用，導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)出區(qū)別于單體的特征?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)凝聚態(tài)系統(tǒng)存在著和宇宙中的粒子類似的物理性質(zhì)。凝聚態(tài)物理和量子引力這兩個領(lǐng)域開始交匯。
有理論物理學(xué)家提出猜想：在分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)中，可能存在具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，表現(xiàn)為低能集體激發(fā)，即大量電子集體性的能量躍遷——就像平靜的湖面上突然激起數(shù)不清的、不同形狀的漣漪。分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)是一種超越傳統(tǒng)固體物理框架的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)形態(tài)，代表了當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)研究的前沿。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)只有在極端條件下才會被觀測到，它的出現(xiàn)打開了人類認(rèn)識世界的一扇窗口。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)一般可以形象地理解為“特殊電子”（如一個電子與兩個磁通量子相結(jié)合）在二維平面上沿圓形軌道運(yùn)動，這些圓形軌道通常被認(rèn)為是固定不變的。然而，近年來已有物理學(xué)家指出：存在一種長期被忽視的量子度規(guī)，在這一新框架下，軌道形狀是可變的。這種隨時間變化的軌道幾何形變，能夠?qū)?ldquo;特殊電子”推向同圓心的次近鄰軌道，這個效應(yīng)帶來了引力子激發(fā)。引力子激發(fā)不僅具有和引力子類似的特性，而且還可以通過相應(yīng)的量子引力方程來描述。
但是，尋找引力子激發(fā)的道路同樣挑戰(zhàn)重重。
引力子激發(fā)的首次實驗發(fā)現(xiàn)為量子引力物理開辟了新途徑
引力子激發(fā)的探測需要依賴雙光子過程的非彈性光散射實驗。這種實驗對設(shè)備的要求極為苛刻且看似矛盾。一方面，實驗需要在極低溫度下進(jìn)行（約50毫開爾文，零下273.1攝氏度）并且需要強(qiáng)磁場支持（約10特斯拉），一般通過稀釋制冷機(jī)來實現(xiàn)；另一方面，實驗中使用的可見光及制冷機(jī)的透光窗口輻射，容易將溫度升至100毫開爾文以上。此外，實驗測量也對制冷機(jī)脈沖管帶來的振動極為敏感。更為復(fù)雜的是，由于引力子激發(fā)的能量極低（最低可至70吉赫茲），實驗需要在微波波段實現(xiàn)共振非彈性光散射測量，即使在室溫條件下也極具挑戰(zhàn)。因此，這一實驗一直被認(rèn)為是極難完成的任務(wù)，無論是從實驗技術(shù)，還是從基礎(chǔ)物理創(chuàng)新角度，都意味著從0到1的突破。
經(jīng)過多年努力，南京大學(xué)自主設(shè)計并集成組裝了一套基于稀釋制冷技術(shù)的極低溫強(qiáng)磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。這臺特殊的設(shè)備能夠在零下273.1攝氏度的環(huán)境中捕捉到最低至10吉赫茲的微弱激發(fā)并判斷其自旋。利用這一先進(jìn)設(shè)備，實驗團(tuán)隊近日在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中成功觀測到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子激發(fā)。通過共振非彈性光散射，團(tuán)隊從自旋、動量和能量的角度確認(rèn)了引力子激發(fā)的實驗證據(jù)。
這項工作標(biāo)志著科學(xué)界首次在實驗中觀察到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，首次在真實的凝聚態(tài)系統(tǒng)中揭示了引力子物理的量子規(guī)律，為探索量子引力物理開辟了新的途徑。想象一下，原本可能需要建造行星級別的探測器才能研究引力子的奧秘，如今在一個房間大小的實驗設(shè)備中，就可以一窺其深奧的物理規(guī)律。
引力子激發(fā)的發(fā)現(xiàn)，為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的量子幾何理論提供了關(guān)鍵實驗證據(jù)，打開了關(guān)聯(lián)物態(tài)的幾何效應(yīng)實驗研究的新方向。以往人們在研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)時，主要關(guān)心其拓?fù)湫再|(zhì)，而忽視量子幾何的重要性，實際上量子幾何與拓?fù)湟粯?，對理解物質(zhì)的關(guān)聯(lián)性質(zhì)極為重要。引力子激發(fā)的研究，有助于我們更深入地理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和相互作用機(jī)制。未來的新型電子器件和新型材料可能就得益于這種對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的更深入理解。此外，引力子激發(fā)的研究有助于揭示拓?fù)淞孔佑嬎愕奈锢頇C(jī)制，推動相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展，帶來信息處理速度的極大提升，網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)展機(jī)遇。
科幻小說《三體》這樣描繪基礎(chǔ)物理的重要性：當(dāng)一個文明掌握了更加基礎(chǔ)的物理規(guī)律之后，可以發(fā)展出領(lǐng)先于其他文明的科技水平。有關(guān)引力子的探索研究，正是基礎(chǔ)物理的重要組成。目前，引力子激發(fā)這一實驗發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)引起世界范圍內(nèi)科學(xué)工作者關(guān)注。很多理論物理學(xué)家已經(jīng)投入到凝聚態(tài)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。這給予我們實驗物理工作者很大啟發(fā)，我們將繼續(xù)推進(jìn)相關(guān)研究，升級實驗設(shè)備，從而更好探索奇妙的物理世界，以科學(xué)研究為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力作出貢獻(xiàn)。
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