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捕获引力子：不可能的任务
引力是自然界四种基本力中人们最熟悉的一种，数十年来却令科学家头痛不已。引力是否像其它基本力一样通过粒子传递？如果存在着传递引力的“引力子”，它们能被探测到吗？ 【英国《新科学家》周刊文章】题：最漫长的监视（作者：马库斯·乔恩） 是什么令引力如此特殊？在日常生活中，引力是自然界四种基本力中人们最熟悉的一种。然而，引力的许多特性依然令人困惑。与其它力相比，引力之微弱简直不可思议。物理学家们已经成功的建立了关于强相互作用里、电磁力和弱相互作用力的量子理论，但引力依然是一个顽固的例外：科学家们数十年来一直试图将引力与量子力学结合起来，但结果并不令人信服。 引力子源自何处 根据量子理论，所有的力都是通过粒子传递的：光子传递电磁力，W玻色子和Z玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用力。这些传递力的粒子并不是凭空想象的产物，试验已经探测到了它们的存在。然而，没有人看到过被认为能够传递引力的粒子。对此，有人提出了一种完全的解释：引力之微弱表明，其粒子——引力子——几乎不与物质发生相互作用。 有些科学家甚至怀疑是否存在探测到引力子的可能性。而且如果引力子是无法探测的，那么它们是否真的存在？这一问题促使普林斯顿大学的物理学家托尼·罗思曼开始与宾夕法尼亚州哈弗福德学院的斯蒂芬·博恩进行合作。他们的研究令物理学家们对引力子的真实性提出了疑问。 罗思曼和博恩必须解决的第一个问题是，到何处寻找引力子。虽然引力无处不在，但问题并不像听起来那样简单。当一个物体在引力作用下下落时，其原子必须与地球原子交换引力子——假设它们存在的话罗思曼和博恩所需要的是一个能够形成并向外放射引力子的源，就像能够放射光子的光源一样。 在四处寻找能够用于实验的引力子源后，他们得出了结论：黑洞很有可能成为引力子源。黑洞并非与外界隔绝：它们会通过所谓的霍金辐射损失质量。 然而，计算显示，在来自黑洞的辐射中，只有大学1%是以引力子的形式存在的。而且，只有小黑洞才会产生大量霍金辐射。较大的黑洞，比如由那些坍缩的恒星形成的黑洞，辐射量非常小。 因此，最可能成为引力子源的黑洞是那些据信形成于大爆炸时期的小型黑洞。然而，计算显示质量小于10亿吨的小型黑洞的霍金辐射过于强烈，以至于它们将在宇宙的生命周期中蒸发殆尽。而那些重于1万万亿吨的黑洞产生的引力子能量太少，无法探测。 但是，还存在着第二种可能的引力子源。在恒星上，炽热的高温将电子从原子中剥离出来。这些电子能够自由漂移。在经过附近的带电原子核的电场时，它们会加速运动，并放射出光子。加速运动的电子也应该放射出引力子。在圣迭戈加利福尼亚大学的罗伯特·古尔德此前研究的基础上，罗思曼和博恩通过计算得出结论：最有希望的引力子源是超密白矮星和中子星。 探测困难重重 在确定了哪儿最可能产生引力子后，下一步是研究如何最好的探测到它们。在考虑了几种可能性后，罗思曼和博恩将注意力集中到引力与光电效应的类似之处上。当一粒带有足够能量的光子撞击某些物质的原子时，它会撞出一粒电子，并产生一股表明光子到来的微弱电流，这就是通常的光电效应。在理论上，应该也存在一种“引电效应”——虽然没有人看见过这种效应：带有足够能量、能撞出一粒电子的引力子应该会产生一股表明其存在的电流。 由此，两位科学家明白了寻找的方向和目标。但还存在一个障碍。与电磁力相比，引力非常微弱。以冰箱次为例，虽然整个地球都在吸引这块磁铁，但它的磁场依然使它紧贴冰箱。引力的微弱表明，引力子极少与物质的粒子发生互相作用。罗思曼说：“正是这种不可思议的微弱性使直接探测到一粒引力子异乎寻常的困难。” 如果说有谁知道如何探测彼此只发生微弱相互作用的粒子的话，他们就是那些研究中微子的物理学家。因此，罗思曼和博恩向这些专家寻求灵感。中微子只通过弱核力与物质发生相互作用。虽然每秒钟都有大约1000亿粒来自太阳的中微子穿过人体1平方厘米的皮肤，但没有一粒中微子会被人体中的原子所截获。为里尽可能增加捕获这些粒子的机会，科学家们制造了含有大量物质的大型探测器。虽然中微子几乎不可能被单个粒子所截获，但被探测器中数以万亿计的粒子中的一粒所截获的机会还是存在的。罗思曼说：“在探测引力子时也将使用这一方法。” 正在南极制造一台世界上最大的中微子探测器，将使用1立方千米的南极冰块来寻找中微子。罗思曼说；“然而，引力子与物质发生相互作用的可能性甚至只有中微子的1/1021。由于引力子与物质之间的相互作用微弱得不可思议，我们需要一台使中微子探测器相形见绌的探测器。” 事实上，据罗思曼和博恩计算，这样一台探测器在质量上将与木星不相上下。罗思曼说：“太大了。它会因自身重力而收缩，变成一颗褐矮星。” 让我们假设有朝一日可以建造出这样一台机器。这台探测器能够捕获一粒引力子吗？罗思曼博恩通过计算得出结论，在宇宙的整个生命周期中，一台距离太阳同地球离太阳一样遥远的探测器能够太册到大约1000粒引力子。如果使这台探测器与一颗超密白矮星或中子星之间的距离同地球目前与太阳之间的距离相同的话，它将能够收集大约10亿粒引力子，而且大约10年时间就够了。 即使这台探测器表现完美，问题还是没有解决。每秒都会有无数其他粒子落在这台巨大的探测器上，其中许多粒子都会发出与引力子相同的电信号。预计最恼人的粒子将是中微子。但好消息是，虽然它们很少与物质发生相互作用，但从原则上来说，可以对中微子进行屏蔽。然而，问题在于：所需的屏蔽材料多得超乎想象。罗思曼说：“中微子能够穿透数光年厚的铅。那么多的屏蔽材料将坍缩成一个黑洞。” 众说纷纭 可能还有一个困难。物理学家们通过10多年的研究才最终承认，光电效应可以证明光子的存在。罗思曼说：“换句话说，为了让物理学家们相信引力子的存在，我们可能必须探测到大量的引力子。”考虑到重重的实际困难，罗思曼和博恩认为实际上根本没有机会探测到哪怕一粒引力子也就不足为奇了。 这对试图建立引力量子理论的物理学家意味着什么？罗思曼说：“引力子也许不是物理实体，而是非物质实体。在这种情况下，量化引力子也许是不可能的。” 其他一些物理学家不同意他的观点。他们认为，即使罗思曼和博恩认为引力子在实际上无法探测的这种观点是正确的，我们建立引力量子理论的努力也不会受到影响。马里兰大学的特德·雅各布森说：“我认为，单一粒子状态的可探测性不是必需的。量子理论的基础是场，而不是粒子。”诺贝尔奖获得者、得克萨斯大学的斯蒂芬·温伯格也同意这种观点：“能否探测到单一引力子这一问题与建立一种关于引力的基本理论毫不相干。很多东西我们都观察不到，比如夸克。” |
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