引力子存在吗？科学家把难题交给了黑洞合并

科技日报记者 盛 利

一颗苹果砸到了牛顿的脑袋，于是牛顿发现了万有引力定律。想必这个传说大家都曾听过。小到苹果下落，大到天体相互吸引，宇宙中引力无处不在。在量子力学中，我们所“熟知”的、无形的引力，可能是由粒子组成的。

近日，一项发表在《物理评论快报》的研究指出，在两个黑洞合并而导致的引力波碰撞中，可以通过观测引力子转化为光子的现象，来寻找引力子。引力子是什么？引力波的碰撞如何帮助我们寻找引力子？证明引力子的存在对于我们有何意义？近日，科技日报记者就上述问题采访了相关专家。

“三缺一”的相互作用粒子

引力子是什么？

“宇宙中存在4种相互作用：电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用以及万有引相互作用。科学家推测，这些相互作用力都是由信使媒介粒子传递的。电磁力由光子传递，弱相互作用的媒介粒子是中间玻色子，强相互作用的媒介粒子是胶子。所以，引力如果可以量子化，其媒介粒子就是我们所说的引力子。”重庆邮电大学理学院博士余耀表示。

1913年，爱因斯坦提出了万有引力场论，认为任何带有质量的物体周围都存在引力场，引力场是通过引力波来传播的，而引力波的传播媒介正是引力子。2016年，人类在两个黑洞碰撞、合并的过程中，首次直接探测到引力波，爱因斯坦在广义相对论中关于引力波的预言已经被证实。然而时至今日，人们却没能找到引力子。

为何引力子这么难找？

“在实际观测中，难以对引力的量子效应进行有效探测。”重庆邮电大学理学院副教授潘宇向科技日报记者解释说，目前，其他三种相互作用力的传递粒子均已被证实，但引力的量子效应还没有探测到，所以迄今仍未有能够证明其存在的直接证据。

如果引力是由引力子构成，那么引力子是如何“工作”的？

“在量子理论的框架下，所有力都是通过‘信使’传递动量和能量，这些‘信使’就是力所对应的传播子。在宏观角度上，引力作用可以改变物体的动量和能量，所对应的微观理论就是，物体‘吃掉’或‘吐出’引力子来改变其动量和能量。”四川大学物理学院教授王鹏提出了一个形象的比喻。

黑洞是它的“老朋友”

在黑洞中寻找引力子，其实并非新鲜事。

美国普林斯顿大学物理学家托尼·罗斯曼和美国哈佛大学福德学院的斯蒂芬·鲍恩就曾经提出过利用黑洞寻找引力子。

黑洞并非是只“贪得无厌”的吞噬猛兽。根据霍金辐射理论，黑洞会因向外辐射而损失质量。根据罗斯曼和鲍恩的计算，霍金辐射中的百分之一是以引力子的形式出现。他们表示，最有可能发现引力子的地方，就是宇宙大爆炸时的极端条件下形成的微型黑洞。但在宇宙演化进程中，小质量黑洞的霍金辐射逐渐减弱，难以凭借这些微弱的信号寻找引力子。

在此次最新研究中，美国加州大学圣巴巴拉分校物理学家雷蒙德·索耶提出了一种新的机制，即在某些特定的情况下，引力子能够转化为大量的光子，可能比此前预测的要多出许多。

早期研究表明，其他无质量粒子在大量存在时会突然改变自身状态（被称为量子破碎现象），索耶借助计算机模型研究了引力子是否也遵循同样的模式。其模拟结果是肯定的：当引力子聚集密度足够高时，其中一些会转变为光子。

但通过引力子转化为光子来寻找引力子存在的证据并非易事。虽然从理论上来讲，引力子是可以转化为光子的，但其概率很小。如何在实验室中“创造”这个小概率事件，甚至提高引力子转化为光子的效率，就成了重中之重。

为此，索耶建立了一个简化的模型——模拟在两个黑洞合并时，引力波的碰撞情况。该模型的预测结果显示，引力波的碰撞可以产生大量的射电频率光子。在这一转化过程中，越强力的引力波所需要的时间就会越长，这就意味着观测时间也越多，通过这类观测证实引力子存在的可能性就越高。

或与暗能量有关

为何难以探寻的引力子，却备受科学家的青睐？

20世纪90年代后期，天文学家发现宇宙正在加速膨胀。为解释这一现象，科学家提出宇宙中存在一种暗能量驱动宇宙加速膨胀。然而根据理论预测，暗能量应该比天文学家目前观测到的宇宙膨胀加速现象所需要的能量要大得多。但如果宇宙按照这个“剧本”走下去，会在恒星和星系形成前就分崩离析。如今我们仍然能够安然无恙，显然这一推测并不符合实际。