寻找引力子发射与吸收的信号

https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2025/11/large-2.png人类发展的一个重要里程碑，是从被动观察电磁现象（如放电和磁性）转变为主动操控它们。这一转变带来了大量应用，从发电厂到现代电子设备。对电磁场及其与物质相互作用的精准控制，也让我们对自然基本定律有了更深入的理解，能够以极高精度测试现代理论。现在，德国亥姆霍兹 – 德累斯顿 – 罗森多夫中心的拉尔夫·舒茨霍尔德认为，引力领域可能也会迎来类似的转折点。他操控引力的方法依赖于能控制引力子发射或吸收的实验，引力子是在量子化引力理论中传递引力相互作用的假设基本粒子。为此，舒茨霍尔德提出了一个实验，即引力波撞击光学干涉仪时，会使通过干涉仪的光脉冲产生可测量的相移。这种相移可以揭示在此过程中引力子是被吸收还是发射。该提议的实现，将为操控引力和测试其量子性质带来诱人前景。

我们目前对引力的理解源于爱因斯坦的广义相对论。在该理论中，引力并非被描述为一种力，而是物质导致时空弯曲的结果。在这个范式内，可以描述从行星和恒星的运动到宇宙演化等广泛的引力现象。此外，该理论还带来了对宇宙未知方面的发现，如黑洞和引力波的存在。

引力波是时空中以光速传播的涟漪。尽管一个多世纪前就已被预测，但大约过了50年才找到其存在的间接证据，又过了40年，LIGO实验才首次直接探测到它们。此后，又报告了数百起其他引力波事件，为宇宙观测打开了一扇新窗口。然而，目前观测到的引力波都源于极端天体物理事件，如两个黑洞的合并。在较低能量（低于约10¹⁹ GeV的普朗克能量）下，引力的行为可能与电磁学类似，其能量以引力子（ћω 单位，其中 ω 是引力波的频率）量子化。这就引发了一个自然的问题：能否用现有或近期的技术，在实验中探测到引力子的发射或吸收？

不幸的是，由于引力相互作用很微弱，答案是否定的，至少如果采用通过移动物体产生引力场的方法是不行的。考虑具有现实质量、速度和长度的装置，可以证明几乎不可能产生哪怕一个引力子。这一挑战促使舒茨霍尔德采取不同的方法。他的提议不使用动态质量，而是通过测量激光束与经过的引力波之间转移的能量来发现引力子。如果这种能量超过单个引力子能量 ћω ，就可以将其解释为引力子（受激）发射或吸收的 “指纹”。

舒茨霍尔德考虑使用马赫 – 曾德尔型激光干涉仪，其中光脉冲被分成两个，沿不同的垂直路径传播。这种几何结构类似于LIGO、Virgo和KAGRA等引力干涉仪。但与这些干涉仪不同的是，舒茨霍尔德的方案有第二阶段，在此阶段，脉冲沿相同路径传播，然后重新组合。它们在探测器上的干涉产生与相位差成正比的信号。在没有引力波的情况下，这种相位差将消失。然而，如果一个类似于LIGO常规探测到的极化引力波穿过干涉仪，所引发的时空扭曲将调制光子的频率，这是光子与引力波之间微小能量转移的结果。结果是，光子的频率在一条路径上增加，在另一条路径上降低，导致出现非零相位差。

尽管这种相移预计非常微小，但由于提议装置的一个特性，它可以被放大。也就是说，在两个分裂脉冲经过频率调制后，其偏移的频率会在装置的第二阶段积累出相当大的相位差，从而放大检测信号（图1）。值得强调的是，舒茨霍尔德的方案与LIGO等探测器之间有一个重要区别。在新方案中，相位积累长度理论上可达数百万公里。但在LIGO中，干涉仪的长度受引力波频率限制：光通过干涉仪的传播时间必须短于引力波的半周期，以防止引力波的相反周期抵消信号。实际上，这将有效光程长度限制在大约1000公里，LIGO通过相距几公里的镜子之间的数百次反射来实现这一点。

为评估实验的可行性，舒茨霍尔德考虑使用市售的桌面激光技术（可见光或近红外频率的高功率脉冲激光），以及一个应变（时空扭曲幅度）与LIGO迄今探测到的引力波相当的经过的引力波。舒茨霍尔德估计，100万公里的相位积累路径（例如，通过公里距离镜子之间的100万次反射可实现）将产生约10⁻⁷ 的相位差，这可以用现有技术测量。实现这个装置将是一项艰巨的任务，尤其需要达到稳定的100万公里相位积累阶段，并使用超稳定激光器，但不存在根本性障碍。

观测到能量转移大于 ћω 的相位差，将有力支持引力子假设。然而，这并不等同于引力子存在的确凿证据，因为这种相移也可能是光子与引力波之间半经典相互作用的结果。相反，如果在LIGO、Virgo和KAGRA探测到引力波的同时却未检测到这种相移，将对引力子图景产生怀疑。

找到引力子发射或吸收的特征，将是迈向操控引力子和引力波的第一步。它还将开启探索引力场量子性的诱人可能性，这可能为量子引力理论的发展提供指导。最后，对提议实验的各种变体，可以测试引力场的详细量子性质。正如舒茨霍尔德指出的，如果输入干涉仪的光处于高度非经典量子态（如所谓的NOON态）而非经典相干态，那么对光子场的测量可用于区分引力场的特定量子态。所有这些特性，都将为解决自然界最深奥的秘密之一——在实验室中可能通过实验探测到的低能量下引力的量子性——做出贡献。