科学家首次实验发现类似引力子的粒子

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几十年来，物理学家一直在寻找引力子，即一种被认为携带引力的假想粒子。这些粒子从未在太空中被探测到，但现在，科学家在半导体中发现了类似引力子的粒子。利用它来理解引力子的行为，可能有助于将长期存在分歧的广义相对论和量子力学结合起来。3月27日，相关研究成果发表于《自然》。

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图片来源：zf L/Getty Images

“这是大海捞针般的发现。而引发这一切的论文要追溯到1993年。”美国普林斯顿大学的Loren Pfeiffer说。他与包括Aron Pinczuk在内的几位同事共同撰写了这篇论文。当后者于2022年去世时，尚未找到这种难以捉摸的粒子的线索。

量子纠缠是一种物理现象。当粒子对或粒子群以无法独立描述每个粒子的量子态的方式产生或相互作用时，就会发生这种现象。面对新证据，物理学家开始将宇宙视为一个由纠缠联系在一起的量子整体，而非由不同的层组成。

Pinczuk的学生和Pfeiffer等合作者现在已经完成了二人从30年前开始讨论的实验。他们将注意力集中在一块平坦的砷化镓半导体内的电子上，它被放置于强力制冷机里，并暴露在强磁场中。在这些条件下，量子效应使电子表现得奇怪——它们彼此之间强烈地相互作用，形成了一种不寻常的不可压缩液体。

这种液体并不平静，而是具有所有电子协同运动的集体运动特征，这可能会产生类似粒子的激发。为了检验这些激发，研究人员将一束精心调谐的激光照射在半导体上，并分析从半导体散射出去的光。

这揭示了激发具有一种量子自旋，这种自旋只存在于引力子中。虽然它本身不是引力子，但却是人们所见过的最接近引力子的东西。

美国哥伦比亚大学的Ziyu Liu参与了这项实验。他和同事知道类似引力子的激发可能存在于他们的半导体中，但花了数年时间才使实验精确到足以探测到它们。

事实上，这个实验并不是一个真正的时空模拟——电子被限制在一个平坦的二维空间里，比相对论控制的物体运动得更慢。

美国佛罗里达州立大学的Kun Yang没有参与这项工作。他认为它“极其重要”，并以一种此前被低估的方式连接了物理学的不同分支，如材料物理学和引力理论。

不过，英国利兹大学的Zlatko Papic警告说，不要把这项新发现等同于在太空中探测到引力子。对于新实验中的电子系统来说，二者是完全等效的，可以成为某些量子引力理论的试验场，但并不适用于宇宙尺度上在时空中发生的每个量子现象。