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重力子到底是個啥玩意?南京大學發現了它的影子

2024-07-06科學

重力子到底是什麽,它真的存在嗎?要弄清這個問題,必須從四種基本力說起。

如果說,我們理解的世界萬物都是受到某種力的控制,肯定會有許多人不相信。因為這個世界億萬種事物五彩斑斕有動有靜,怎麽可能都受力的控制呢?但我們日常觀察到的事物都只是表象,而科學發現和研究則是追究事物更深層次的本質。迄今為止,科學發現我們世界上所有的事物都是受到四種基本力控制,它們就是重力、電磁力、強力、弱力。你信也好,不信也罷,但這就是迄今為止最接近真相的世界本質。

當然,科學永遠在路上,科學發現和研究只是現階段的真相,隨著人類對世界進一步深入的認識,現在的發現和理論會被新的理論所取代,這是毋庸置疑的。但不能因為未來可能出現更接近真相的發現,就否定現在已經發現的階段性真相,這才是科學的態度。所以,現階段我們的世界就是在四種基本力的控制下運動變化。

這四種基本力作用的距離和層面不一樣。重力是最弱的力,但又是控制距離最遠的力,其影響力無限遠;電磁力比重力強十的三十七次方倍,影響距離同重力一樣也是無限遠;弱力雖然很弱,但強度也是重力十的二十六次方倍,不過影響距離是最短的,短到連電子顯微鏡也看不到,只有十的負十八次方米,影響範圍只在誇克、電子、微中子等基本粒子層面;強力是最強的力,是重力十的三十九次方倍,影響距離也非常短,但比弱力要遠一千倍,即十的負十五次方米,因此影響範圍只在原子內部層面,如約束原子核和電子的運動等。

而這些力並不是憑空發生作用的,每種力都有自己的傳遞媒介,人們把它們稱為傳播子。就像人們在玩球傳遞遊戲一樣,每個人之間的交換媒介就是球,傳出球接住球,再傳出再接住,迴圈往復,其本質是能量的傳遞。而四種基本力也需要這種媒介,也就是傳播子,才能夠實作能量的傳遞。

研究認為,傳遞電磁力的傳播子為光子,傳遞強力的傳播子為膠子,傳遞弱力的傳播子為弱玻色子。這三種力的傳播子已經被實驗所證實真實存在。比如傳送電磁作用力的光子,上世紀初就被證明存在。人類正是依靠光子對視網膜的作用,才能夠看到世界上的一切。可以說,沒有光子就相當於沒有這個世界的一切。

人們透過對光子的研究,知道了不同能量的光子,具有不同的波長和頻率,因此,這個世界的任何物體都會發出的電磁放射線,不但有可見光被人眼看到,還有不可見的無限電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線,可以被人類發明的各種儀器裝置探測到。對光子的深入了解,讓人類前進了一大步。後來,科學發現了傳播強力的膠子和傳播弱力的弱玻色子,從而又對物質更深層次得微觀層面~量子力學得研究有所突破,帶動了人類文明一波新的進步,尤其是資訊化、智慧化的發展。

既然四種基本力已經發現了三種力的傳播子,科學家們推斷,重力能量的傳播子也應該存在,這種假定存在的重力傳播子被稱為「重力子」。這就是重力子的由來,也解釋了什麽是重力子這個問題。

最早提出重力子假說的是勞勃·愛因史坦。早在一九一三年,愛因史坦在提出了重力場論時認為,重力場是透過重力波傳播,而重力波是透過重力子的能量傳遞才發生交互作用的。為了尋找到重力子,一百多年來,科學家們作出了不懈的努力,雖然取得了一些進展,也有的科學家間接證實了重力子的存在,重力波也在2016年被探測到,但重力子的真實樣貌仍然是無蹤無影,迄今還只能停留在知其有,但不知其所蹤的狀態,重力子的真實存在並沒有被觀測到。

這不得不說是一個很大的遺憾。上世紀愛因史坦創立偉大的相對論,量子力學也蓬勃興起,科學界就夢想著建立一個大統一理論,愛因史坦是最早的熱衷者。所謂大統一理論,就是將宏觀和微觀事物的本質,也就是主導世界的四種基本作用力,能夠統一到一個籠子裏,或者說能夠采用一個最簡潔優美的公式,來解釋這四種作用力,也就是解釋整個世界。

這是因為越接近本質的真相,道理就可能越簡單。這個世界一直都這樣,就像愛因史坦發現的質能方程式E=MC^2,洞悉了這個世界所有物質與能量存在著極簡的等價互換關系。又比如,要把人類和其他動物區分既有很復雜的解釋,也有大道至簡的一句話說明,就是人有思想,是其他動物沒有的,這就是本質的區分。科學家們相信,只要把四種基本力用一個極簡的公式統一起來,大統一理論的夢想就能實作。

現在,四種基本力的傳播子已經找到了三種,經過科學家努力,弱力和電磁力兩種力統一到一個框架的理論,上世紀的一九六七年就已經被物理學家拜因貝魯克所完成,拜因貝魯克所預言的中間玻色子W和Z,在1983年被歐洲核子研究中心找到。現在,弱、電、強三種力的統一理論也不斷有所進展,只有重力依然獨立於其他三種力以外,現在還毫無頭緒。這和重力子迄今沒有發現有著密切關系。沒有找到重力子,就無法真正了解重力傳遞的真相。因此,發現了重力子,人們對重力的本質揭示就更深了一步,就可能得到了大統一理論的鑰匙。

最近,南京大學傳來好訊息,說是找到了重力子的「影子」。這並不是說已經找到了重力子,只是不能再說重力子無影無蹤了,只要繼續追蹤這個影子,重力子本真或許就有可能很快露面了。這當然也是對重力子存在的一種間接證實。這個影子是咋回事呢?早在十年前,諾貝爾獎獲得者霍爾丹就預言,分數量子霍爾效應中可能存在著類似重力子的準粒子激發,也被稱為「分數量子霍爾效應重力子」。

而南京大學的實驗,就是證實了這個預言。嚴格意義上來說就是找到了重力子的某種替身,這種替身並非真實的粒子,而是準粒子的激發態,因此才叫「影子」。雖然這次發現並非真正的重力子,但仍然具有研究價值,甚至可以模擬量子重力理論內容。

有關報道介紹,這種發現屬於凝聚態物理範疇,實驗的難度非常大,是在砷化鎵量子阱中發現的。這種阱裏的溫度要非常接近絕對零度,即只有負二百七十三點一四攝氏度,距離絕對零度也就是十毫克耳文。出現這種效應,還要達到極強的磁場,即10T,相當地球磁場的二十萬倍。測量要求也非常高,極低溫度下測量這種極低能量(約70GH在)的準粒子,還要用圓偏振可見光,挑戰了非彈性拉曼散射實驗的極限。

這次實驗數據得到的證據,非常吻合霍爾丹預言的「分數量子霍爾效應重力子」,因此實驗的成功具有重大意義。這個成果,也證明了楊振寧一再推崇的凝聚態物理研究潛力很大,發現新粒子的能力可以與歐洲大型強子對撞機相媲美。

好了,再說下去就越來越深奧晦澀了,我自己也是似懂非懂,就不展開說了。總之一句話,重力子的發現非常非常重要,一旦發現可能讓世界科學大大推進一步,有人甚至把它提升到可以掌握與外星人溝通的工具的高度。而南京大學的這次發現,雖然是個好訊息,但距離找到真正的重力子,還有很長的路要走。

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