大家可能听过万有引力和广义相对论，知道量子力学，但你们知道什么是“引力子”吗？最近，南京大学的研究团队声称发现了“分数量子霍尔效应引力子”（相关研究成果发表在《自然》杂志 3 月 28 日刊）。那么，这个引力子究竟是什么粒子？分数量子霍尔效应又是什么意思？
物理学家一直希望宇宙万物运行规律可以是“极简模式”，能用一个简单的方程描述。但描述广袤宇宙需要广义相对论，描述微观粒子需要量子物理学，两者涉及的时间、空间和能量尺度差了很大。
1939 年，量子引力理论的出现为物理学大统一提供了思路，其核心思想是存在一种名为“引力子”的粒子。什么是“引力子”？我们简单通过与电磁相互作用的比较来说明。我们知道电和磁的相互作用是因为电磁场的存在，而电磁场的扰动会释放出电磁波，光就是一种最常见的电磁波。
科学家发现，从量子物理角度描述电磁相互作用，只需要找到并统计传递能量的量子就行了，这个电磁波的量子就是“光子”。光子有特定的频率，代表它拥有的能量单位，描述电磁相互作用就是数这些能量单位有多少个、去哪里了，是不是很方便？
爱因斯坦在建立广义相对论时，就预言了引力波的存在。他认为引力场对应于时空的几何结构，如果给时空投下一枚小石子，它也会像水波一样向外扩散出“涟漪”，这就是引力波。量子引力理论告诉我们，正如电磁波的能量量子是光子，引力波的能量量子就是“引力子”。
引力子的理论看起来很完美，也是其他物理理论的基础。例如，超弦理论的升级版本——超膜理论，引力子在其中占据核心地位；还有暗物质，有可能就是有质量的引力子组成的。
科学家多年来一直没有在实验中观测到“引力子”。相比之下，引力波早在 2016 年初就宣布被发现，并很快在 2017 年获得诺贝尔物理学奖。
测量引力子的挑战有很多，最主要的原因是它的能量极低，相对于宇宙中黑洞、中子星、超新星事件的能量尺度而言，引力子的能量微不足道。要想探测引力子，可能相当于在遥远的星球上跺跺脚，在地球上要测量到，难度远远大于引力波的测量。
除了直接探测粒子本身，物理学家还有另一个方案，那就是寻找这个粒子的“替身”。发明这个妙招的是一群凝聚态物理学家。组成物质的固态、液态、玻璃态、凝胶态等统称为“凝聚态”，在凝聚态物质中存在大量微观粒子，至少为 10^23 量级以上。这些粒子之间存在许多相互作用，主要是电和磁相互作用。虽然我们可以写出每个粒子运动的方程，但却没有办法求解 10^23 以上的方程组。
物理学家们提出了“准粒子”的概念，即一大群粒子简化为一个粒子，这个粒子可以用更简单的方程来描述。与光子类似，描述固体中复杂的相互作用，只需要数一数这些准粒子的分布就可以了。
原子热振动传递声音和热量，其能量量子被称为“声子”，是材料中声波的量子形态。类似地，传递原子磁矩振动的能量量子被称为“磁振子”。还有以科学家命名的“外尔费米子”、“狄拉克费米子”、“马约拉纳费米子”等。
这些粒子的命名源于它们满足相应的理论方程：外尔方程、狄拉克方程和马约拉纳方程。形式上，它们与基本粒子理论中的粒子无异。我们可以推测，凝聚态物质中的准粒子能够作为各类微观粒子的“替代品”，包括已知和未知的粒子。
引力子也不例外。约十年前，诺贝尔奖得主霍尔丹提出，分数量子霍尔效应中可能存在类似引力子的准粒子激发，称为“分数量子霍尔效应引力子”。分数量子霍尔效应是指将电子限制在二维空间（例如，夹在两个半导体之间），在强磁场和极低温下，这些电子的库仑相互作用会产生一系列新的量子态。
相应准粒子的电荷不再是元电荷的整数倍，而是分为分数，如三分之一的元电荷。该系统中的准粒子形态多样。霍尔丹认为，其中一种与量子引力理论中提出的“引力子”非常相似。
判断一个准粒子是否是另一种粒子的“替代品”，可以进行“体检”，类似于测量身高、体重、声纹和指纹，比较它们的质量、自旋、电荷和手性等性质。霍尔丹认为的“分数量子霍尔效应引力子”与量子引力预言的引力子一样，具有自旋 2 和手性的特征。所谓的自旋和手性是指其内禀磁矩，就像自我旋转并具有特定方向，如符合右手螺旋规则。
南京大学团队在砷化镓量子阱中探测到了“引力子”。该实验面临极大挑战：一方面，需要在接近绝对零度（10mK，即-273.14°C）的温度和 10T 的强磁场下才能产生这种效应；测量过程采用圆偏振可见光，不可避免地会遇到透明窗口漏热的问题；引力子形式的准粒子能量极低（约 70GHz），几乎达到非弹性拉曼散射实验的极限。
尽管如此，研究团队最终成功克服了重重困难。从各种实验证据来看，他们的发现都与霍尔丹预言的“分数量子霍尔效应引力子”高度吻合。这表明，凝聚态物理学领域蕴藏着巨大的可能性，还有更多有趣的准粒子等待探索。
需要明确的是，这种“引力子”严格来说是一种“几何激发态”，而不是真正可以自由存在的粒子。也就是说，虽然它们看起来很相似，但如果探究其“身份证编码”，我们仍能发现它们的不同。例如，前者存在于二维空间，仅在空间尺度下发挥作用；后者存在于三维空间，并属于时空的量子化形式。前者需要在一定能量尺度以上才会出现，而后者则是一种极远程相互作用，因为引力波跨越了广阔的宇宙尺度。
这种“引力子”的替代品也有其自身的价值。例如，我们可以利用固体中一种名为“极化子”的准粒子来模拟旋转的黑洞。
也许，我们可以借助“分数量子霍尔效应引力子”来模拟量子引力理论中那些无法通过实验验证的元素。
