(ZT)捕獲引力子：不可能的任務

捕獲引力子：不可能的任務引力是自然界四種基本力中人們最熟悉的一種，數十年來卻令科學家頭痛不已。引力是否像其它基本力一樣通過粒子傳遞？如果存在著傳遞引力的「引力子」，它們能被探測到嗎？ 【英國《新科學家》周刊文章】題：最漫長的監視（作者：馬庫斯·喬恩） 是什麼令引力如此特殊？在日常生活中，引力是自然界四種基本力中人們最熟悉的一種。然而，引力的許多特性依然令人困惑。與其它力相比，引力之微弱簡直不可思議。物理學家們已經成功的建立了關於強相互作用里、電磁力和弱相互作用力的量子理論，但引力依然是一個頑固的例外：科學家們數十年來一直試圖將引力與量子力學結合起來，但結果並不令人信服。引力子源自何處 根據量子理論，所有的力都是通過粒子傳遞的：光子傳遞電磁力，W玻色子和Z玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用力。這些傳遞力的粒子並不是憑空想像的產物，試驗已經探測到了它們的存在。然而，沒有人看到過被認為能夠傳遞引力的粒子。對此，有人提出了一種完全的解釋：引力之微弱表明，其粒子——引力子——幾乎不與物質發生相互作用。 有些科學家甚至懷疑是否存在探測到引力子的可能性。而且如果引力子是無法探測的，那麼它們是否真的存在？這一問題促使普林斯頓大學的物理學家托尼·羅思曼開始與賓夕法尼亞州哈弗福德學院的斯蒂芬·博恩進行合作。他們的研究令物理學家們對引力子的真實性提出了疑問。 羅思曼和博恩必須解決的第一個問題是，到何處尋找引力子。雖然引力無處不在，但問題並不像聽起來那樣簡單。當一個物體在引力作用下下落時，其原子必須與地球原子交換引力子——假設它們存在的話羅思曼和博恩所需要的是一個能夠形成並向外放射引力子的源，就像能夠放射光子的光源一樣。 在四處尋找能夠用於實驗的引力子源後，他們得出了結論：黑洞很有可能成為引力子源。黑洞並非與外界隔絕：它們會通過所謂的霍金輻射損失質量。 然而，計算顯示，在來自黑洞的輻射中，只有大學1%是以引力子的形式存在的。而且，只有小黑洞才會產生大量霍金輻射。較大的黑洞，比如由那些坍縮的恆星形成的黑洞，輻射量非常小。 因此，最可能成為引力子源的黑洞是那些據信形成於大爆炸時期的小型黑洞。然而，計算顯示質量小於10億噸的小型黑洞的霍金輻射過於強烈，以至於它們將在宇宙的生命周期中蒸發殆盡。而那些重於1萬萬億噸的黑洞產生的引力子能量太少，無法探測。 但是，還存在著第二種可能的引力子源。在恆星上，熾熱的高溫將電子從原子中剝離出來。這些電子能夠自由漂移。在經過附近的帶電原子核的電場時，它們會加速運動，並放射出光子。加速運動的電子也應該放射出引力子。在聖迭戈加利福尼亞大學的羅伯特·古爾德此前研究的基礎上，羅思曼和博恩通過計算得出結論：最有希望的引力子源是超密白矮星和中子星。探測困難重重 在確定了哪兒最可能產生引力子後，下一步是研究如何最好的探測到它們。在考慮了幾種可能性後，羅思曼和博恩將注意力集中到引力與光電效應的類似之處上。當一粒帶有足夠能量的光子撞擊某些物質的原子時，它會撞出一粒電子，併產生一股表明光子到來的微弱電流，這就是通常的光電效應。在理論上，應該也存在一種「引電效應」——雖然沒有人看見過這種效應：帶有足夠能量、能撞出一粒電子的引力子應該會產生一股表明其存在的電流。 由此，兩位科學家明白了尋找的方向和目標。但還存在一個障礙。與電磁力相比，引力非常微弱。以冰箱次為例，雖然整個地球都在吸引這塊磁鐵，但它的磁場依然使它緊貼冰箱。引力的微弱表明，引力子極少與物質的粒子發生互相作用。羅思曼說：「正是這種不可思議的微弱性使直接探測到一粒引力子異乎尋常的困難。」 如果說有誰知道如何探測彼此只發生微弱相互作用的粒子的話，他們就是那些研究中微子的物理學家。因此，羅思曼和博恩向這些專家尋求靈感。中微子只通過弱核力與物質發生相互作用。雖然每秒鐘都有大約1000億粒來自太陽的中微子穿過人體1平方厘米的皮膚，但沒有一粒中微子會被人體中的原子所截獲。為里儘可能增加捕獲這些粒子的機會，科學家們製造了含有大量物質的大型探測器。雖然中微子幾乎不可能被單個粒子所截獲，但被探測器中數以萬億計的粒子中的一粒所截獲的機會還是存在的。羅思曼說：「在探測引力子時也將使用這一方法。」 正在南極製造一台世界上最大的中微子探測器，將使用1立方千米的南極冰塊來尋找中微子。羅思曼說；「然而，引力子與物質發生相互作用的可能性甚至只有中微子的1/1021。由於引力子與物質之間的相互作用微弱得不可思議，我們需要一台使中微子探測器相形見絀的探測器。」 事實上，據羅思曼和博恩計算，這樣一台探測器在質量上將與木星不相上下。羅思曼說：「太大了。它會因自身重力而收縮，變成一顆褐矮星。」 讓我們假設有朝一日可以建造出這樣一台機器。這台探測器能夠捕獲一粒引力子嗎？羅思曼博恩通過計算得出結論，在宇宙的整個生命周期中，一台距離太陽同地球離太陽一樣遙遠的探測器能夠太冊到大約1000粒引力子。如果使這台探測器與一顆超密白矮星或中子星之間的距離同地球目前與太陽之間的距離相同的話，它將能夠收集大約10億粒引力子，而且大約10年時間就夠了。 即使這台探測器表現完美，問題還是沒有解決。每秒都會有無數其他粒子落在這台巨大的探測器上，其中許多粒子都會發出與引力子相同的電信號。預計最惱人的粒子將是中微子。但好消息是，雖然它們很少與物質發生相互作用，但從原則上來說，可以對中微子進行屏蔽。然而，問題在於：所需的屏蔽材料多得超乎想像。羅思曼說：「中微子能夠穿透數光年厚的鉛。那麼多的屏蔽材料將坍縮成一個黑洞。」眾說紛紜 可能還有一個困難。物理學家們通過10多年的研究才最終承認，光電效應可以證明光子的存在。羅思曼說：「換句話說，為了讓物理學家們相信引力子的存在，我們可能必須探測到大量的引力子。」考慮到重重的實際困難，羅思曼和博恩認為實際上根本沒有機會探測到哪怕一粒引力子也就不足為奇了。 這對試圖建立引力量子理論的物理學家意味著什麼？羅思曼說：「引力子也許不是物理實體，而是非物質實體。在這種情況下，量化引力子也許是不可能的。」 其他一些物理學家不同意他的觀點。他們認為，即使羅思曼和博恩認為引力子在實際上無法探測的這種觀點是正確的，我們建立引力量子理論的努力也不會受到影響。馬里蘭大學的特德·雅各布森說：「我認為，單一粒子狀態的可探測性不是必需的。量子理論的基礎是場，而不是粒子。」諾貝爾獎獲得者、得克薩斯大學的斯蒂芬·溫伯格也同意這種觀點：「能否探測到單一引力子這一問題與建立一種關於引力的基本理論毫不相干。很多東西我們都觀察不到，比如夸克。」
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