引力子是什么？ 科學家把難題交給了黑洞合并

一顆蘋果砸到了牛頓的腦袋，于是牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。想必這個傳說大家都曾聽過。小到蘋果下落，大到天體相互吸引，宇宙中引力無處不在。在量子力學中，我們所“熟知”的、無形的引力，可能是由粒子組成。

近日，一項發(fā)表在《物理評論快報》的研究指出，在兩個黑洞合并而導致的引力波碰撞中，可以通過觀測引力子轉(zhuǎn)化為光子的現(xiàn)象，來尋找引力子。引力子是什么?引力波的碰撞如何幫助我們尋找引力子?證明引力子的存在對于我們有何意義?近日，科技日報記者就上述問題采訪了相關專家。

“三缺一”的相互作用粒子

引力子是什么?

“宇宙中存在4種相互作用：電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用以及萬有引力相互作用?？茖W家推測，這些相互作用都是由信使媒介粒子傳遞的。電磁力由光子傳遞，弱相互作用的媒介粒子是中間玻色子，強相互作用的媒介粒子是膠子。所以，引力如果可以量子化，其媒介粒子就是我們所說的引力子。”重慶郵電大學理學院博士余耀表示。

1913年，愛因斯坦提出了萬有引力場論，認為任何帶有質(zhì)量的物體周圍都存在引力場，引力場是通過引力波來傳播的，而引力波的傳播媒介正是引力子。2016年，人類在兩個黑洞碰撞、合并的過程中，首次直接探測到引力波，愛因斯坦在廣義相對論中關于引力波的預言已經(jīng)被證實。然而時至今日，人們卻沒能找到引力子。

為何引力子這么難找?

“在實際觀測中，難以對引力的量子效應進行有效探測。”重慶郵電大學理學院副教授潘宇向科技日報記者解釋說，目前，其他三種相互作用力的傳遞粒子均已被證實，但引力的量子效應還沒有探測到，所以迄今仍未有能夠證明其存在的直接證據(jù)。

如果引力是由引力子構成，那么引力子是如何“工作”的?

“在量子理論的框架下，所有力都是通過‘信使’傳遞動量和能量，這些‘信使’就是力所對應的傳播子。在宏觀角度上，引力作用可以改變物體的動量和能量，所對應的微觀理論就是，物體‘吃掉’或‘吐出’引力子來改變其動量和能量。”四川大學物理學院教授王鵬提出了一個形象的比喻。

黑洞是它的“老朋友”

在黑洞中尋找引力子，其實并非新鮮事。

美國普林斯頓大學物理學家托尼·羅斯曼和美國哈佛大學福德學院的斯蒂芬·鮑恩就曾經(jīng)提出過利用黑洞尋找引力子。

黑洞并非是只“貪得無厭”的吞噬猛獸。根據(jù)霍金輻射理論，黑洞會因向外輻射而損失質(zhì)量。根據(jù)羅斯曼和鮑恩的計算，霍金輻射中的百分之一是以引力子的形式出現(xiàn)。他們表示，最有可能發(fā)現(xiàn)引力子的地方，就是宇宙大爆炸時極端條件下形成的微型黑洞。但在宇宙演化進程中，小質(zhì)量黑洞的霍金輻射逐漸減弱，難以憑借這些微弱的信號尋找引力子。

在此次最新研究中，美國加州大學圣巴巴拉分校物理學家雷蒙德·索耶提出了一種新的機制，即在某些特定的情況下，引力子能夠轉(zhuǎn)化為大量的光子，可能比此前預測的要多出許多。

早期研究表明，其他無質(zhì)量粒子在大量存在時會突然改變自身狀態(tài)(被稱為量子破碎現(xiàn)象)，索耶借助計算機模型研究了引力子是否也遵循同樣的模式。其模擬結果是肯定的：當引力子聚集密度足夠高時，其中一些會轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾印?/p>

但通過引力子轉(zhuǎn)化為光子來尋找引力子存在的證據(jù)并非易事。雖然從理論上來講，引力子是可以轉(zhuǎn)化為光子的，但其概率很小。如何在實驗室中“創(chuàng)造”這個小概率事件，甚至提高引力子轉(zhuǎn)化為光子的效率，就成了重中之重。

為此，索耶建立了一個簡化的模型——模擬在兩個黑洞合并時，引力波的碰撞情況。該模型的預測結果顯示，引力波的碰撞可以產(chǎn)生大量的射電頻率光子。在這一轉(zhuǎn)化過程中，越強力的引力波所需要的時間就會越長，這就意味著觀測時間也越多，通過這類觀測證實引力子存在的可能性就越高。

或與暗能量有關

為何難以探尋的引力子，卻備受科學家的青睞?

20世紀90年代后期，天文學家發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。為解釋這一現(xiàn)象，科學家提出宇宙中存在一種暗能量驅(qū)動宇宙加速膨脹。然而根據(jù)理論預測，暗能量應該比天文學家目前觀測到的宇宙膨脹加速現(xiàn)象所需要的能量要大得多。但如果宇宙按照這個“劇本”走下去，會在恒星和星系形成前就分崩離析。如今我們?nèi)匀荒軌虬踩粺o恙，顯然這一推測并不符合實際。

2010年，美國凱斯西儲大學宇宙學家克勞迪婭·德拉姆提出了一個觀點——如果引力子會吞噬暗能量，那么宇宙就會以一種“可以接受”的速度加速膨脹。

引力子不僅能夠幫助推動暗能量的研究，甚至有科學家懷疑引力子就是暗能量。曾有人提出，引力子的自作用在大尺度下可以有斥力項存在，這一特殊的性質(zhì)不僅使得它可以作為宇宙暗物質(zhì)和暗能量的候選者，同時亦可能對于解釋宇宙的構成及演化起到一定的積極作用。

不過此次研究只是基于理論模型的探索，距離真正觀測到引力子還差很遠。索耶也表示，想要探測引力波碰撞產(chǎn)生的光子信號，可能需要一個基于空間的射電天文臺。王鵬表示，這項研究的重要意義之一，在于讓人們關注到引力子轉(zhuǎn)化為光子這一現(xiàn)象。

許多科學家都相信，引力子的發(fā)現(xiàn)只是時間的問題。一旦發(fā)現(xiàn)，量子理論研究將實現(xiàn)突破性發(fā)展。(記者 盛 利)

關鍵詞： 引力子 黑洞合并