不是真身！我国科学家首次观察到引力子“投影”，诺奖稳了？

新一期的《自然》上，发表的一篇国内科研工作者的论文显示，神秘引力子的投影现身，这可能意味着引力子现身也变得指日可待。

引力子是什么？为什么近一个世纪以来引发这么大的关注？要说到这一点，还得先从引力本身说起。

究竟有没有缺失的东西

你在吃饭，筷子不慎从手里滑落掉在地上，这个再寻常不过的现象就是引力。

引力无处不在，砸中牛顿的苹果，天上掉落的雨滴和飘落的雪花。哪怕你从娘胎里诞生，母亲分娩的过程也有引力。

包括一众物理学家在内，千百年来不止只有牛顿思考过这种现象。肉眼可见的范围内，掉落的苹果和滑落的筷子，它们在接触到地面之前，自身与地面之间除了空气，似乎没有其他介质。

单单只看引力这一项，似乎说明引力在发生的时候不需要介质。按照广义相对论的解释，引力就是质量本身对时空造成的影响和扰动。

所以，只要物体本身的质量在时空内产生了引力，其产生的扰动结果也就会显现出来。

可在物理学研究领域，随着科学家对力的研究越发深入，却发现了异常的地方。

我们每天看到的太阳光，它的本质是电磁辐射，而电磁辐射又是一种相互作用的力即电磁力。而光之所以能传播，又完全是依靠光子作为媒介来运行的。

也正因为有媒介的存在，所以光在传播过程中表现出来的电磁力，其传播速度就存在差异。

光在真空中的传播速度最快，每秒近30万千米。进入地球大气层后因为空气的存在会受到一定影响，但是速度依然很快。

可如果环境发生变化，比如液体，比如可透光的玻璃，光的传播速度就会大大下降。水越深，水底的亮度也就越暗，直至陷入黑暗再没有光可深入。

传播的速度存在差异，就意味着光在传播中，因为周围环境的改变，光子作为媒介也会发生变化。而光子本身，正是电磁力的媒介。

除了以光子为媒介的电磁力外，自然界中还有强相互作用的强力，弱相互作用的弱力，这三种力和引力一起，共同构成了世界乃至宇宙里的四种力。

电磁力有光子作为媒介，强力有胶子作为媒介，弱力有中间玻色子作为媒介。所以看到这里就该问了，引力的媒介又是什么？

如果引力没有媒介，如何解释其他三种力都有唯独它没有？如果有媒介，那它就是科学界此前一直猜测的引力子。

之所以是猜测，是因为引力子只闻其声不见其身。一百多年前，爱因斯坦的万有引力论横空出世，物体只要存在质量就会存在引力场，其过程是靠着引力波来传播的。而引力波传播的媒介，就是引力子。

可惜接下来的一百年里，科学家只是在理论上推测，并没有获得引力波和引力子的实证。

直到进入21世纪后，通过观测黑洞的合并，才证实了引力波确实存在。然而在证实引力波存在的时候，科学家依旧没有发现引力子。

但事情进展到这一步再清楚不过，引力波既然存在，就必定也存在媒介引力子。只是它十分难找，科学界根本不知道它会以一种什么样的状态存在。

也正因为如此，围绕引力子的研究，哪怕有一丁点儿风吹草动，都能引起很大的关注。

这也是为什么，当国内的科研人员发表相关论文后，媒体大量关注的原因。那么，新的研究中，发现的引力子投影究竟是什么呢？

新的研究能推动证实引力子的存在吗

新研究的主导者，是南京大学的杜灵杰，他带领的科研团队第一次观测到了引力子的激发，这种情况就是在凝聚态物质中，发现了引力子的投影。这也是迄今为止，全球第一次发现有关引力子痕迹的实证。

杜灵杰表示，围绕引力子的研究开始于2019年前后。彼时他带领的科研团队，在分数量子的霍尔效应里发现了一种新的集体激发。

在理论物理学家看来，凝聚态物质中，或许存在“分数量子霍尔效应引力子”。这种物质与引力子的运行规律相似，所以在物理学界它才被称为是引力子的影子。

不过，这种类似引力子存在的物质，此前也仅仅是一种猜测。直到杜灵杰和他的团队发现了集体激发现象后，才意味着经过研究，可以找到分数量子霍尔效应引力子存在的实证。

正是基于这一情况，证实它存在的相关实验才展开了。

为了要做这个实验，就必须得有合适的仪器设备，可在刚提出相关设想的时候，国内并没有符合实验条件的设备。

这种条件有多苛刻呢？与杜灵杰一起研究的同事表示，实验需要保证两个必要的条件，一个是强磁场，另一个是低温。

磁场的强度，要比地球常规的磁场强度高10万倍。至于温度，要接近物理学意义上的绝对零度零下273.15℃，但温度又需要精确到比绝对零度高0.05℃。

制冷和强磁环境，可以通过设备来模拟，但实验的进程却不能保证精准度。因为整个实验过程中需要进行光学测量，制冷的设备上需要安装能透光的窗户。

可一旦透光，内部温度就有可能上升，哪怕出现一丝一毫的变化，精准度就没法保证了。

何况实验过程中设备也会振动，这同样也会干扰和影响测量的精准度。

也正因为实验条件苛刻，为了让各项指标都达标而且不受影响，杜灵杰和团队光是前期设计安装实验装置，就用了近40个月的时间。

整个实验装置，看起来就像是一个超大号的显微镜，只不过它体积太庞大了，足足有两层楼那么高。

利用这一装置，杜灵杰和团队在随后开启的实验中，终于真正看到了分数量子霍尔效应引力子。

这一实证，可以证明此前理论物理学家的推测是准确的，即这种引力子确实存在。但这也仅仅只是发现了引力子的投影，至于什么时候能发现引力子，横亘在科学家面前的究竟还有哪些未知困难，谁都不清楚。

为什么就是找不到呢？

客观存在的规律或现象，不会以人的意志为转移，在物理学领域，如果有哪方面的空缺还没有被填补上，某些未知领域就会一直是未知。

就像引力子的寻找，迄今为止没有实质性的进展，肯定是某个方面还存在着问题。这就像是拼图，构成图画的拼积物太过于碎小，拼出一个完整且准确的图形，过程相当难。

不光是引力子，其他三种力的媒介，此前在研究和发现的过程中，也是耗费了大量时日。

在科学家看来，目前围绕引力子的研究，一切都是推导，论证的部分没有实证。比如在论证中，引力子的存在是基于量子理论的。

引力能产生动量和能量，就是因为有引力子这个关键媒介存在。从宏观的角度看，也就是肉眼可见的状态下，引力的发生就像筷子从手里滑落出去，它掉落在地上及其中间这个过程，产生了动量和能量的变化。

而在这个过程中，还有肉眼看不见的引力子在发挥作用。整个过程中，就是引力子的存在，改变了筷子的动量和能量。

但不管怎么说，以上到目前为止还是推测，我们没有看到引力子，也不知道何时才能看到。于是，有些科学家就把目光对准了宇宙中的暗能量。

宇宙本身一直在膨胀，而且还是一个不断加速的过程，驱动其不断膨胀的原因就是暗能量。这种不可见的东西蕴含的能量似乎很大，如果任由其不断驱使宇宙膨胀，宇宙内的一切最终都将被撕裂而分崩离析。

可这样一来就出现了一个很大的问题，既然能膨胀到分裂，就像不断再给气球吹气一样，可为什么迄今为止这气球还没有被吹爆呢？

有科学家就把引力子的相关理论与暗能量联系了起来。一种观点认为，正因为引力子的存在，才抵消了暗能量的能量效应，从而使得宇宙没有因为过度膨胀而分裂。

这就好比气球上有一个小孔，不管你如何拼命吹气，气球一直在漏气所以才不会吹破。

甚至还有一种观点认为，暗能量就是引力子，引力子就是暗能量。它本身存在斥力项，这种特殊的存在，可以让它的身份在宇宙内更多元和作用更加积极。

这种观点太过于颠覆性，听上去像是发现不了引力子而信口胡诌。除了把暗能量和引力子联系在一起外，科学界同样认为引力子和黑洞有着更深厚的“关系”。

黑洞和引力子之间又有什么关联

此前引力波的发现，就是通过两个黑洞的碰撞。而在引力子的寻找过程中，科学家也认为应该“求助”于黑洞。

黑洞不光吸引和吞噬一切，自身也会损失质量。依照霍金辐射理论，黑洞损失的一部分质量中，有可能就是以引力子的形式而存在的。

有科学家据此认为，早期宇宙大爆炸后形成的黑洞，其中就可能有引力子。

但这同样是猜测，而且即便是理论上也存在难度。因为早期的黑洞由于霍金辐射效应在不断减弱，凭借它们自身微弱的信号，是不太可能找到引力子的。

结语

除了要从黑洞中去找寻引力子外，根据量子破碎的现象，有科学家认为在特定的机制条件下，引力子会转变特性，让自身变成光子而存在。

听起来不可思议，但有科学家借助于计算机做了模拟，结果显示引力子的密度达到一定高度后，其中有些就会变成光子。

所以你看，要么可能是暗物质，要么与黑洞相关，甚至还会转变身份。假设引力子真的存在这几种属性，那么发现它确实就很难。

不过科学家还是比较乐观的，时至今日依旧认为发现它只是时间问题。只是不知道，谁能真正成为它的发现者。

参考资料：

《引力子存在吗？ 科学家把难题交给了黑洞合并》 科技日报 2020年7月14日

《我国科学家在世界上首次观察到引力子的“投影”》 新华社 2024年3月28日