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2024-05-27 12:35:42
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引力子物理索求研究展(zhan)现科学的魅力(开(kai)卷知新(xin)),力学,实验,一致

很多人了解引力的概念是经过牛顿的万有引力定律。从传说中(zhong)砸中(zhong)牛顿的苹果到天(tian)上(shang)飘落的雨滴,引力无处不在;从牛顿力学到爱因斯(si)坦绝对论再到弦实际,数百年来科学家对引力与引力子的索求从未间断。引力子研究是物理学的终极问题之一,有人甚(shen)至把引力子视作粒子物理学的最后一块拼(pin)图,如果能证实引力子的存在,将是现代物理学乃至整个科学领域(yu)的重大冲破。

前不久,我所在的科研团队一项最新(xin)研究结果在《自然》杂志揭橥,引发社会存眷。我们经过自主(zhu)设计的实验设备,首次(ci)窥察到引力子在凝结态物质中(zhong)的“投影(ying)”,这(zhe)标记(ji)着自20世纪30年月引力子概念提出以(yi)来,天(tian)下(xia)范围内首次(ci)在真(zhen)实系统(tong)中(zhong)发明具有引力子特征的准粒子。在引力子物理的索求道路上(shang),我们朝(chao)前迈出了紧(jin)张一步。

引力子研究对实现狭义绝对论和量子力学的一致殊(shu)为关键

很长时候以(yi)来,物理学家不停追求一种大一统(tong)实际,希望(wang)用它来表明自然界的全(quan)部物理景(jing)象。虽然这(zhe)个目标尚未达成,但这(zhe)一追求赓续推(tui)动(dong)着物理学的进展(zhan),而且深入影(ying)响了科技前进,引发了多次(ci)科技革命。例如,牛顿提出的万有引力,一致了地球上(shang)的物体和天(tian)体的活动(dong)规律,并构建了牛顿力学,这(zhe)直接催生了第一次(ci)工业革命;电动(dong)力学的研究成功地一致了电与磁(ci)的概念,催生了第二(er)次(ci)工业革命。现在,狭义绝对论和量子力学在现代物理学中(zhong)占据要位,分别成功地应(ying)用于宏观(guan)和微观(guan)天(tian)下(xia)。这(zhe)两大实际现在还未能实现一致,科学家们在朝(chao)着这(zhe)个目标积极,期(qi)待两者的一致能像历史上(shang)每次(ci)重大科学冲破那样,引领新(xin)一轮(lun)科技革命。

狭义绝对论作为现在最为成功的引力实际,指出引力的本质不是物体间的吸引力,而是时空蜿蜒的一种多少(shao)效应(ying)。这(zhe)一实际表明了宇(yu)宙中(zhong)的绝大多半宏观(guan)景(jing)象,并预言了引力波的存在。设想(xiang)一下(xia),重球会让紧(jin)绷的床单构成凸(tu)起,如果你轻(qing)轻(qing)地推(tui)一个小球已(yi)往,它会朝(chao)着那个凸(tu)起滚(gun)动(dong)。在这(zhe)里(li),床单类似于物理学中(zhong)的“度规”(用来描述时空形状的概念),而引力波就是一种源自时空度规颠簸的景(jing)象。比年来,跟(gen)着“中(zhong)国(guo)天(tian)眼”(FAST)和激光干涉引力波天(tian)文台(LIGO)等国(guo)表里(li)大科学装置多次(ci)观(guan)测到引力波的相关信号,狭义绝对论中(zhong)关于引力是时空多少(shao)效应(ying)的看(kan)法已(yi)被广(guang)泛认(ren)可。

量子力学则在描述微观(guan)天(tian)下(xia)如原(yuan)子和亚原(yuan)子尺度的物理规律方面,取得了巨大成功。自量子力学确立以(yi)来,物理学家已(yi)经将已(yi)知的四种基(ji)础感化(hua)力中(zhong)的三种——强相互感化(hua)力、弱相互感化(hua)力和电磁(ci)力——成功地一致到量子力学的实际框架(jia)内。但是,引力仍未被归入这(zhe)一框架(jia)中(zhong)。类似于光子是电磁(ci)波在量子天(tian)下(xia)中(zhong)的表现,科学家推(tui)断引力波在量子天(tian)下(xia)中(zhong)的粒子是引力子。物理学家不停试图经过引力子这(zhe)一概念,将引力融入量子力学的体系,从而实现四种基(ji)础感化(hua)力的完全(quan)一致,也即狭义绝对论与量子力学的一致。

引力子研究凭借其在物理学中(zhong)的紧(jin)张性,引发广(guang)泛而强烈的学术存眷。但是,宇(yu)宙中(zhong)的引力子信号很难探测,难度远超引力波。有物理学家指出,即使利用与地球质量相称的理想(xiang)探测器,也可能需要凌驾10亿年才(cai)会探测到一个来自太阳的引力子。到现在为止,尚未有引力子的实验证据被报导,引力子物理的研究首要照样停顿在实际上(shang)。

凝结态系统(tong)中(zhong)的引力子引发具有和引力子类似的特性

相较于遥(yao)远的宇(yu)宙,生存中(zhong)大部分可见物质都是凝结态,平(ping)常包(bao)含固态和液态。凝结态系统(tong)中(zhong),大批的电子、分子等单体之间相互感化(hua),致使系统(tong)呈现出区别于单体的特征。科学家已(yi)经发明凝结态系统(tong)存在着和宇(yu)宙中(zhong)的粒子类似的物感性子。凝结态物理和量子引力这(zhe)两个领域(yu)开(kai)始交汇。

有实际物理学家提出猜想(xiang):在分数量子霍尔态中(zhong),可能存在具有引力子特征的准粒子,表现为低能集(ji)体引发,即大批电子集(ji)体性的能量跃迁——就像清静的湖面上(shang)倏(shu)忽激起数不清的、分歧形状的荡漾。分数量子霍尔态是一种超出传统(tong)固体物理框架(jia)的强联系关系物质形状,代表了现代凝结态物理学研究的前沿。分数量子霍尔效应(ying)只要在极度条件下(xia)才(cai)会被观(guan)测到,它的出现打开(kai)了人类熟悉天(tian)下(xia)的一扇窗口。分数量子霍尔效应(ying)一般能够(gou)形象地明白为“非凡电子”(如一个电子与两个磁(ci)通量子相结合)在二(er)维立体上(shang)沿圆形轨道活动(dong),这(zhe)些圆形轨道平(ping)常被以(yi)为是固定稳(wen)定的。但是,比年来已(yi)有物理学家指出:存在一种长期(qi)被忽视的量子度规,在这(zhe)一新(xin)框架(jia)下(xia),轨道形状是可变的。这(zhe)类随时候变化(hua)的轨道多少(shao)形变,能够(gou)或许(xu)将“非凡电子”推(tui)向同圆心的次(ci)近邻轨道,这(zhe)个效应(ying)带来了引力子引发。引力子引发不仅具有和引力子类似的特性,而且还能够(gou)经过响应(ying)的量子引力方程来描述。

然则,寻找引力子引发的道路同样挑战重重。

引力子引发的首次(ci)实验发明为量子引力物理拓荒了新(xin)途径

引力子引发的探测需要依(yi)赖双光子过程的非弹性光散射实验。这(zhe)类实验对设备的要求极其苛刻且看(kan)似矛盾。一方面,实验需要在极低温度下(xia)进行(约50毫开(kai)尔文,零下(xia)273.1摄氏度)而且需要强磁(ci)场支撑(约10特斯(si)拉),一般经过稀(xi)释制冷机来实现;另(ling)一方面,实验中(zhong)利用的可见光及制冷机的透光窗口辐射,容易将温度升(sheng)至100毫开(kai)尔文以(yi)上(shang)。此外,实验测量也对制冷机脉冲管带来的振动(dong)极其敏感。更为复杂的是,由于引力子引发的能量极低(最低可至70吉赫兹),实验需要在微波波段实现共振非弹性光散射测量,即使在室温条件下(xia)也极具挑战。因此,这(zhe)一实验不停被以(yi)为是极难完成的任务,不管是从实验技术,照样从基(ji)础物理创新(xin)角度,都意(yi)味着从0到1的冲破。

经过多年积极,南京大学自主(zhu)设计并集(ji)成组(zu)装了一套基(ji)于稀(xi)释制冷技术的极低温强磁(ci)场共振非弹性偏偏振光散射系统(tong)。这(zhe)台非凡的设备能够(gou)或许(xu)在零下(xia)273.1摄氏度的环境中(zhong)捕捉到最低至10吉赫兹的微弱引发并判断其自旋。利用这(zhe)一先进设备,实验团队近日在砷化(hua)镓半导体量子阱中(zhong)成功观(guan)测到分数量子霍尔效应(ying)中(zhong)的引力子引发。经过共振非弹性光散射,团队从自旋、动(dong)量和能量的角度确认(ren)了引力子引发的实验证据。

这(zhe)项工作标记(ji)着科学界首次(ci)在实验中(zhong)窥察到具有引力子特征的准粒子,首次(ci)在真(zhen)实的凝结态系统(tong)中(zhong)展(zhan)现了引力子物理的量子规律,为索求量子引力物理拓荒了新(xin)的途径。设想(xiang)一下(xia),底(di)本可能需要建筑行星(xing)级别的探测器才(cai)能研究引力子的奥(ao)秘,往常在一个房间大小的实验设备中(zhong),便能够(gou)一窥其深奥(ao)的物理规律。

引力子引发的发明,为分数量子霍尔效应(ying)的量子多少(shao)实际提供了关键实验证据,打开(kai)了联系关系物态的多少(shao)效应(ying)实验研究的新(xin)方向。以(yi)往人们在研究分数量子霍尔效应(ying)时,首要体贴其拓扑性子,而忽视量子多少(shao)的紧(jin)张性,实际上(shang)量子多少(shao)与拓扑一样,对明白物质的联系关系性子极其紧(jin)张。引力子引发的研究,有助于我们更深入地明白物质的微观(guan)布局(ju)和相互感化(hua)机制。将来的新(xin)型电子器件和新(xin)型材料可能就得益于这(zhe)类对物质微观(guan)布局(ju)的更深入明白。此外,引力子引发的研究有助于展(zhan)现拓扑量子较量争论的物理机制,推(tui)动(dong)相关应(ying)用的进展(zhan),带来信息处理速度的极大提升(sheng),收集(ji)通信、大数据、野生智能等领域(yu)将迎来新(xin)的进展(zhan)机遇。

科幻小说《三体》如许(xu)描写基(ji)础物理的紧(jin)张性:当(dang)一个文化(hua)掌握了更加基(ji)础的物理规律以(yi)后,能够(gou)进展(zhan)出抢先于其他文化(hua)的科技水平(ping)。有关引力子的索求研究,正是基(ji)础物理的紧(jin)张组(zu)成。现在,引力子引发这(zhe)一实验发明,已(yi)经引发天(tian)下(xia)范围外科学工作者存眷。很多实际物理学家已(yi)经投入到凝结态宇(yu)宙的量子引力物理研究中(zhong),提出了有趣且富有设想(xiang)力的研究计划。这(zhe)赋予(yu)我们实验物理工作者很大启发,我们将继续推(tui)进相关研究,升(sheng)级实验设备,从而更好索求奇妙的物理天(tian)下(xia),以(yi)科学研究为进展(zhan)新(xin)质临盆力作出贡献。

(作者为南京大学物理学院教授)

版式设计:沈亦伶(ling)

推(tui)荐读物

《从零开(kai)始读懂量子力学》:戴瑾(jin)编著;北京大学出书社出书。

《通往实在之路》:罗杰·彭罗斯(si)著,王文浩译;湖南科学技术出书社出书。

《最初三分钟(zhong):关于宇(yu)宙起源的现代看(kan)法》:史蒂文·温伯格(ge)著,王丽译;重庆大学出书社出书。

发布于:北京市
 
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