南大诺奖级成果，引力子被发现了？爱因斯坦或错了？

南京大学有一个诺奖级的成果刚刚发布，说引力子可能被发现了，或者爱因斯坦错了吗？物理学真的会迎来大一统吗？

先说结论，南京大学杜灵杰带领的国际团队首次看到了可能是引力子的身影。如果引力子的真身后续被证实，那么就不仅仅是诺奖这么简单了。理论物理的终极问题之一，引力之谜将被解开，已经被发现的引力波，其实质也就和光波一样，依然是波粒二象性的，光子组成光，引力子组成引力。这样爱因斯坦认为引力是时空弯曲的几何属性的假说就被证伪了。当然，此时说这个还为时尚早，但无论如何，我们要为南大团队点个大大的赞！

每个领域都有所谓的终极问题，比如在生命科学领域，有生命起源、意识起源这样的问题。而在物理学中，除了宇宙起源外，包括黑洞里面是啥、暗物质暗能量又是啥这样的问题也都算。还有一个就是包括爱因斯坦毕生追求的“大一统理论”。啥叫大一统理论，简单理解，就是宇宙中物质的相互作用，或者叫力学，应该是同一个宇宙，同一个规则。

您可能会问了，这难道不是么？感觉上是，但科学家们却还在苦苦挠头。

我们的真实世界，从宇宙到基本粒子，虽然尺度不同，但是其运行都离不开四种基本作用力：强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力。

您可能又会问了，我遇到的力可远远不止四种啊，什么压力、拉力、推力、弹力、范德华力、洛伦兹力、重力……其实这些都是上述四种力的具体表现形式而已。引力不用说了，想想牛顿的苹果就懂了。而强弱相互作用我们感受不到，因为他们的作用距离极短，都是在原子之内的力，所以也叫强弱核力。一句话，你平时能感受到的力，除了引力以外，都是电磁力。

但这刚才提到的四种力，却分成了两派，前三个达成了一致，引力却还在特立独行。

就这样，同时真实存在的两套力学系统，却像水和油始终无法兼容在一起，而无法兼容的主要原因，就是“引力”。

当然，前三种力的统一过程也并非一蹴而就的，这个统一过程，也几乎贯穿了整个科学革命。

1609年，开普勒用刚刚发明的望远镜通过不懈观察和记录，提出了描述行星运动的开普勒三大定律，但此时开普勒本人并不知道三大定律之间的联系。直到牛顿提出万有引力定律，才从本质上解释了开普勒三大定律，第一次统一了天上和地下物体的运动规律。

1687年，而凭借着万有引力定律和牛顿三大定律，牛顿的《自然哲学的数学原理》发表，整个经典物理的摩天大楼开始奠基。

到了1865年，麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组，完成了电和磁的统一。

1954年，杨振宁和米尔斯通过对电磁相互作用进行分析，将电磁相互作用和弱相互作用统一到一个新的理论中——杨-米尔斯理论。这可是20世纪下半叶极其重要的物理突破，也是为什么杨振宁被称为是当代最伟大的物理学家之一的原因。此后，在此基础上又提出了规范场论，在量子力学的框架下，成功地将电磁相互作用、强弱相互作用统一到了一个模型中，这就是标准模型。这样就只差引力还没有被统一了。

但引力至今仍在特立独行，自成一派，和其他三种力像水和油始终无法兼容。但对科学家来讲，问题越难，越有动力。

早在标准模型建立的几十年之前，广义相对论提出后，爱因斯坦就尝试将电磁相互作用统一到广义相对论中。彼时，强弱相互作用还未被发现，所以爱因斯坦一度非常乐观，认为电磁力和引力是如此的相似，首先它们不像强弱作用力都是短距离，它们都是长距离的作用，也都符合距离的平方反比规律。然而，爱因斯坦直到去世，也没有将电磁力给纳入到广义相对论中。

为什么不成功呢？有两个原因，首先是数学原因：广义相对论中的宇宙是无限可分的，是连续性的。而量子力学的宇宙是不连续性的，是有最小单位的一份份的。其次是物理原因：广义相对论是经典确定理论，即如果状态A确定，就可以推出确定状态的B，即爱因斯坦常讲的“上帝不扔色子”。但量子力学理论则是不确定性的，由状态A到状态B是不可预知的，是随机的过程，即玻尔反驳爱因斯坦的，“上帝不仅扔色子，还把色子扔到你看不到的地方”。这两点就决定了，从广义相对论出发来统一电磁力和引力，基本是不可能完成的任务。

尽管如此，爱因斯坦对引力的研究贡献是巨大的，其早在1916年，就预测出了引力波的存在，而在100年后，人类通过引力波天文台LIGO获得观察到引力波的直接证据（注意，引力波依然是以光速传播，就意味着引力子即使存在，也不能有质量，属于玻色子），2017年，对引力波的研究获得了诺贝尔物理学奖。一个引力波从假说到证明，整整过了100年，问题是什么呢？还是引力波其本质究竟是什么？一般科普的时候，我们会说引力波的产生，是超大质量的天体所造成的时空弯曲，有点像一个平静的湖面，你扔了一个大石头进去，传递出来的涟漪就类似引力波。但之所以有涟漪，是因为有水分子的存在，那么引力的传递是通过什么介质呢？19世纪的时候，科学界认为宇宙中充满了“以太”，20世纪初，当光的“波粒二象性”被证实后，我们才终于知道了原来真实的世界还可以这样！那么，是否引力波可以理解为“波粒二象性”呢？那么光是由光子组成的，引力就应该由引力子组成，这样的模型也很早就被提出了。

好了，终于说到了今天的主题了，南京大学的团队，发现了非常接近于引力子的真实存在。

就在两天前，2024年3月28日，南京大学物理学院杜灵杰教授和国际同行一起，在量子物理领域取得重大进展，首次观察到“引力子”在凝聚态物质中的投影。相关研究的论文，已经发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。凝聚态其实是物质的一种状态，就像固态、气态、液态还有等离子态，第五态和第六态其实都是这种凝聚态。

什么叫发现了投影？举个例子，一队人在山里走夜路，我们是看不到的，但如果这个队伍都打了手电，我们就知道这个队伍在哪里了。这些手电光不是你的真身，但却告诉了位置、速度和人数。当然打手电的也可以是机器人，它未必是人是吧，这就是说引力子的真实身份，还待于后期的发现。

当然这个实验可不像打个手电这么简单，这可是在极端条件下完成的。这个条件有多极端呢？比如实验需要极低温，温度仅比绝对零度高约0.05摄氏度，也就是零下273.1度，想想这个的保温难度；同时实验的磁场强度约为10个特斯拉（10T），也就是地球平均磁场的10万倍。杜灵杰是这样描述这个原创设备的，“把它理解为一座两层楼高的‘显微镜’。”依靠这一利器，团队成功在砷化镓半导体量子阱中观察到分数量子霍尔效应引力子，并分别从自旋、动量、能量三个角度确认了相关实验证据，是符合之前提出的引力子模型。可以这样讲：无论是从实验技术，还是从基础物理创新角度，这都是一次了不起的原创性突破。

还是那句话，工欲善其事、必先利其器。开普勒用了望远镜总结出天体运行规律，科学家用LIGO天文台看到了引力波，而今天的南大团队则用了超级显微镜看到了引力子的投影。此外，这个课题组除了南京大学作为牵头之外，哥伦比亚大学和普林斯顿大学都有贡献，这也让我们看到了国际合作的魅力，科学无国界，知识就应该为人类共享！我们也盼着中国的科学家们有更多原创性贡献。

好了，最后，您认为杜灵杰教授会因为这个重大的发现而得诺奖么？欢迎留言讨论。

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