今年3月，國際頂級學術期刊《自然》發表的一篇論文引發學術界轟動：南京大學杜靈杰教授領導的國際團隊報告，首次觀察到引力子在凝聚態物質中的“投影”。大家在中學物理課上都接觸過原子、電子，引力子又是什么？為何給引力子“畫像”如此重要？

舉足輕重的引力子

引力子究竟是什么？

今日物理學界的共識是，宇宙中存在4種相互作用：電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用以及萬有引力相互作用。科學家推測，這些相互作用都是由信使媒介粒子傳遞的，比方說，我們最熟悉的電磁力就由光子傳遞。而引力子，就是萬有引力相互作用的媒介粒子。

當然，要理解引力子，我們還需要回溯一段物理學史。

1913年，愛因斯坦提出萬有引力場論，認為任何帶有質量的物體周圍都存在引力場。引力場通過引力波傳播，而引力波的傳播媒介正是引力子。2016年，人類在兩個黑洞碰撞、合并的過程中，首次直接探測到引力波，證實了愛因斯坦的預言。只是引力子到底什么樣，科學家還一直弄不清楚。

此前，國際物理學界寄望于一系列探索宇宙的大科學裝置，如美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲“室女座”（Virgo）引力波探測器，直接在宇宙中發現引力子的蹤跡。不過，正應了那句古話，“有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭”，讓物理學界意想不到的是，首先看到引力子影蹤的地方，居然是地球上一間小小的凝聚態物理實驗室。

一個無心插柳的故事

杜靈杰接受的專門物理學訓練，從量子物理開始，后來又轉入半導體物理領域。他與引力子的緣分，要從博士后研究時期說起。

2016年，博士畢業的杜靈杰來到哥倫比亞大學，投入低溫光學的研究。在此，他開始接觸到凝聚態物理的一大前沿課題——分數量子霍爾效應。這一效應只有在低溫強磁場的條件下才能觀察到，杜靈杰所在的實驗室正具備條件。

杜靈杰教授（左二）和學生討論實驗工作

2019年上半年，他與合作者在分數量子霍爾效應中觀察到一種新的集體激發——也就是大量電子集體性的能量躍遷。打個比方來說，就像寧靜湖面上突然激起不可勝數、多姿多樣的漣漪。沒成想，最為這一成果感到激動的是理論物理領域的同行，他們認為這可能是分數量子霍爾效應引力子存在的證據。

分數量子霍爾效應之所以引無數凝聚態物理學家競折腰，就在于它關乎量子力學中許多極其微妙的現象。其中，就有規律與引力子類似的“分數量子霍爾效應引力子”。有科學家打趣，稱之為引力子在凝聚態世界的“投影”。不過，就像我們很難捉住自己的影子一樣，想要了解這一玄之又玄的“投影”，科學家幾十年來還沒有什么辦法。

回國在即的杜靈杰，會是把握住這次“畫像”良機的那個人嗎？

推開“窗戶”的一刻

2019年，杜靈杰回到母校南京大學。白手起家的他，心里裝的大問題，還是分數量子霍爾效應引力子。

實驗必需的液氮獲取不易，迫使他改變技術路線；中國南方的潮濕環境往往會折損激光的效果，他只能和同事們反復想辦法調試……克服了一個又一個難關，杜靈杰在南大搭起的實驗裝置足有兩層樓高，這時，已是2022年8月。

為理想沖刺的機會到了。“2022年12月17日，我把自己關在房間里，回顧了4個月來的所有實驗數據，當天下午，我找到了分數量子霍爾效應中那個最有可能是引力子激發的微弱信號。”杜靈杰至今還清晰記得機遇終于叩響房門的時間。根據這個信號，杜靈杰和團隊如愿測量到引力子激發。

實驗過程藝術想象圖

不過，將發現寫成論文投給《自然》，說服物理學界同行的過程不無曲折——一年的審稿時間里，杜靈杰需要反復回應審稿人關于“證據不足”的質疑。

2023年7月，在西班牙圣塞巴斯蒂安舉行的一場國際會議上，有權威物理學者問他：引力子激發的自旋為2，那是不是所有自旋為2的激發，都是引力子激發呢？

就好比說，黑夜里我們看到山頂有亮光，便會認為那里有人擦亮了火柴嗎？也可能僅僅是螢火蟲的聚集而已。

“這個問題把我問住了。”杜靈杰坦言，“分數量子霍爾效應中的引力子激發到底有哪些特征？這個問題還關系到其特征能量，而特征能量的問題就像一塊‘硬骨頭’，梗在凝聚態物理中30多年，之前大家都在回避，我們第一稿也回避了它，這正是審稿人要退稿的原因。”

要確認引力子激發的特征能量，需要測量到更小動量的激發，而這必須以重新設計實驗為前提。所幸，當初因為缺少液氮不得已采用的“干式路線”，恰恰有利于探測到更低的激發動量，一切如同天意。

2024年1月，在一場新加坡舉行的低溫物理國際會議上，面對全球研究分數量子霍爾效應的頂尖專家，杜靈杰亮出了在砷化鎵量子阱中觀察到的新證據，從自旋、動量、能量三個角度，充分回應了此前的質疑。聽到熱烈的掌聲，杜靈杰明白，他已經推開了一扇探究引力子物理的全新“窗戶”。

透過窗戶，還能看到什么？杜靈杰和他的同伴們充滿好奇，也充滿力量。

半月談記者：陳席元