2025年8月27日，墨子沙龙邀请到南京大学物理学院教授杜灵杰，在上海图书馆东馆为观众带来题为“掌中的‘宇宙’——在半导体中一窥量子引力的奥秘”的讲座。2024年，杜教授带领团队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理中的准粒子，为在凝聚态物质中研究量子引力相关物理问题开辟了新的视野。这一重要成果入选了2024年度中国科学十大进展和中国十大科技进展新闻。
本次讲座将围绕三个核心元素展开：量子、引力与半导体。量子如同微观世界的“导演”，它让粒子同时扮演多个角色、穿墙而过，甚至相隔万里也能默契互动，演绎出一幕幕超越日常经验的物理奇迹。引力是时空的诗人，它以无形的韵律让星辰流转、万物归位，每一行诗句都写在行星的轨迹和坠落的苹果之间；半导体是人类搭建的“量子剧场”，在这纳米尺度的舞台上，粒子们演绎着隧穿、叠加与纠缠的奇妙剧目，让我们得以一窥宇宙最深层的奥秘。本文根据讲座内容整理而成。
物理学的“大一统”追求
人类历史上的数次科技革命，均源于物理学理论的重大突破。牛顿力学及万有引力定律首次为引力提供了数学描述，将天体运动与地面物体的运动纳入统一框架，开启了第一次科技革命。随后，麦克斯韦统一电与磁，建立电磁理论，以简洁方程组概括全部电磁现象，推动了第二次科技革命。物理学家始终追求以统一理论解释万物运行规律，这一目标虽未完全实现，却持续推动学科发展并催生多次科技变革。
近代物理的两大核心理论——广义相对论与量子力学，分别成功描述宏观世界和微观世界的物理规律，但二者目前尚未兼容。广义相对论将引力诠释为时空弯曲的几何效应，而非牛顿意义上的超距作用。爱因斯坦预言了引力波，其已被LIGO等探测器观测到，中国“天眼”FAST等大科学装置也参与相关探测。这一发现强化了引力作为时空几何属性的观念。量子力学则成功在微观尺度描述粒子行为，且已将电磁力、强相互作用和弱相互作用统一于量子场论框架中，其分别通过光子、胶子和W/Z玻色子传递。而引力尚未被纳入该体系。尽管引力波已被探测，其量子化形式——引力子——仍未观测到。与自旋为1的其它作用力媒介子不同，引力子应具有自旋为2的特性。因此，寻找引力子成为统一广义相对论与量子力学、实现四种基本力全面统一的关键最后一环。
引力子的研究历程
自广义相对论提出之初（1915年），爱因斯坦便已尝试将其与量子力学统一，从而开启了量子引力的研究进程。量子力学理论体系直至1925年才趋于成熟。1939年，物理学家泡利（Pauli）及其助手费尔兹（Fierz在线性化爱因斯坦场方程的基础上提出了Fierz-Pauli场方程，成功描述了自旋为2的引力子，标志着量子引力理论迈出关键一步，为引力场的量子化提供了重要理论基础。在量子引力理论发展中，超弦理论也占据核心地位。然而，实验上探测引力子——尤其是（3+1）维时空中的引力子——极为困难，其信号强度甚至远低于引力波。从爱因斯坦预言引力波至最终探测成功，历时百年，而探测引力子所需的条件较之更为苛刻。据物理学家戴森（Dyson）估算，即使以整个地球作为探测器，在理想条件下也需十亿年才可能探测到一颗来自太阳的引力子。考虑到目前为止宇宙年龄仅约138亿年，这一难度可见一斑。
探测引力子的研究促使科学界重新审视认识世界的基本范式。传统科学研究遵循还原论方法，即通过分析系统的最基本组成单元（如原子、分子或神经元）来解释整体行为。该思想源于牛顿力学，认为一旦掌握底层规律，便可预测系统所有行为。然而，现实世界更多表现为复杂系统，其重要特征在于“整体大于部分之和”。随着系统复杂性增加，会涌现出无法由个体单元直接推导的新现象与规律。例如，分数量子霍尔效应源于电子间的集体相互作用，意识的产生依赖于大规模神经网络，人工智能的智能行为实为算法和架构的涌现结果。这类“涌现论”思维已在人工智能、复杂系统与社会研究中广泛应用。其中，凝聚态物理是研究涌现现象的典型领域，日常所见的固体、液体，以及超导体、超流体等量子物态，均由大量粒子通过相互作用形成的全新集体行为，从而涌现出如超导电流、分数电荷等个体粒子不具备的性质。
在量子引力等前沿领域，单纯依赖还原论已显不足，亟需引入涌现视角，从系统与复杂性的层面重新思考时空、引力与物质的基本结构，这也为探测引力子提供了新的理论路径。
探寻引力子的实验开启
要理解大量电子构成的复杂系统，我们需借助“准粒子”这一强大概念。它们虽不是基本粒子，却能简洁描述凝聚态物质中的集体行为，形成一个神秘的“凝聚态宇宙”。例如LED发光就源于电子与“空穴”（一种准粒子）的复合，而石墨烯、超导体等系统中也发现了狄拉克费米子、马约拉纳费米子等新型准粒子。
更值得惊喜的是，这一框架还与量子引力研究相汇合。低维系统（如二维半导体）为在实验室中研究引力子物理提供了新途径。在分数量子霍尔效应中，科学家发现了一种具有自旋2和手性特征的激发模式，被称为“分数量子霍尔引力子”。它源自量子化的度规扰动，行为与理论预言的引力子高度相似。在分数量子霍尔效应中，电子被限制在二维材料内。在极低温和强磁场条件下，电子的电导率呈现量子化台阶行为，表现出独特的离散特性。该系统中存在一种量子几何结构，其波函数不仅受磁场影响，还与空间度规相关——这种度规描述了二维电子的形状涨落，类似于时空的微观变形。由此产生的度规扰动量子化激发形成一种“几何波”，可与高能物理中的引力子类比，为在凝聚态系统中研究量子引力提供了实验依据。
实验研究主要基于第二代半导体材料砷化镓（GaAs）。通过分子束外延技术可制备高质量的二维电子气系统，其高迁移率特性使其成为研究量子引力效应的理想平台。这类微观结构被称为掌中"宇宙"，尽管尺寸微小（各层结构仅数十纳米厚），却能承载丰富的物理现象。
然而，实验观测二维引力子面临多重挑战：需在极端条件下进行：50mK极低温（接近绝对零度）和10T强磁场（地磁的10万倍）；测温控温困难：光学测量中制冷机透光窗口的热辐射易导致温度升高；振动干扰：干式稀释制冷机的脉冲管振动影响测量精度；环境湿度：南方高湿环境要求额外的恒湿控制；技术瓶颈：需开发微波波段的共振非弹性光散射技术，以探测低至50GHz的引力子模；探测手段复杂:引力子模作为四级激发，需通过双光子非弹性光散射过程进行探测。该过程要求分别使用自旋为+1和-1的圆偏振光作为入射和散射光，以识别其自旋2特性，这一技术要求在当前实验条件下仍极具挑战性。
这些挑战凸显了发展极端条件下精密测量技术和自主研发实验设备的重要性，也为凝聚态物理与量子引力的交叉研究指明了方向。
自主搭建出唯一的探寻引力子系统设备
2019年，杜灵杰等人在实验中意外发现一种新型激发模式（称“new plasmon”），随后理论物理学家们提出该激发很可能与引力子相关，促使他回国从零开始搭建极低温量子实验系统。历经三年自主研发，他的团队成功构建了国际首套能够在50mK极低温下探测10GHz微弱激发并测定自旋的实验装置，其核心参数达国际领先水平。
利用该设备，他的团队首次在分数量子霍尔系统中观测到具有引力子特征的准粒子，实验证实二维电子气中度规扰动可产生自旋2的量子激发。该成果于2024年发表，入选“中国科学十大进展”，并被BBC《Science Focus》评价为“朝量子引力理论突破迈出的关键一步”。
此项工作首次在真实凝聚态系统中观测到引力子性质的激发，为1930年代提出的引力子概念提供了实验参照；开辟了在凝聚态体系中研究量子引力的新路径；为分数量子霍尔效应的量子几何理论提供关键证据；引力子模对识别非阿贝尔拓扑态和推动拓扑量子计算具重要价值。
问答环节
问：为什么太阳的引力没有导致八大行星互相碰撞？答：太阳引力为行星公转提供向心力，使其维持稳定轨道运动；同时行星间距巨大、轨道平面一致且遵循开普勒定律，从而避免了相互碰撞。
问：贵实验室在国际上取得重要突破性成果，且实验难度极高。在团队年轻、缺乏技术支持的条件下，是如何完成如此苛刻的实验设备搭建的？特别是稀释制冷和超强磁场系统是如何实现的？答：实验设备并非完全从零搭建，部分组件采用成熟商用产品。制冷通过稀释制冷机实现，超强磁场则由超导磁体产生——其利用超导材料在低温下的零电阻特性，可通过极大电流生成高强度磁场。
问：量子世界与宏观世界本质上是两个独立的世界，还是属于同一世界的不同表现形式？答：这或许是物理学中的一个终极问题。目前尚无确切的答案，但基于现有科学框架，我更倾向于认为它们属于同一现实世界，只是需采用不同的理论体系进行描述——量子力学适用于微观尺度，经典物理学适用于宏观尺度。这种认识本身也随着科学进步而持续演化。例如，历史上人类曾认为地球是平的，后来才认识到它是球体；如今，有观点认为所有基本粒子实则是从更基础的结构中“涌现”出来的，这种涌现论的视角正为连通宏观与微观世界提供一种新的思路。科学的魅力恰恰在于，我们的认知始终处于不断深化和发展的过程之中。
问：空穴作为一种准粒子，与引力子在物理描述上有何关联？此外，电子激发涉及能带间的跃迁，引力子的激发过程又是怎样的？答：空穴与引力子虽同属准粒子范畴，但二者并无直接物理关联。准粒子在凝聚态系统中广泛存在且具有重要物理意义，不能因其非基本粒子而低估其价值。引力子的激发过程与广义相对论中时空度规的扰动密切相关。在二维电子系统中，引力子激发可理解为度规涨落导致的集体能量跃迁。与常规电子跃迁（通过吸收光子实现能带间跃迁）不同，引力子激发的过程中：光子作为能量载体入射系统，首先引发二维空间的量子度规扰动（可类比为布料的抖动），这种度规波动进而促使电子发生跃迁。换言之，电子的能量变化并非直接由光子引起，而是由度规的量子化波动所驱动。
问：实验如何通过二维系统验证现实三维世界的理论？准粒子是否已被实验观测？手性引力子的具体含义是什么？答：在实验物理中，降维研究（如二维电子系统）有助于简化复杂问题并揭示新现象，但从低维结果向高维理论的推广仍存在挑战。准粒子已被大量实验证实，例如空穴、声子等均是可观测的物理实在，手性引力子也是一种准粒子。手性引力子特指在特定条件下（如分数量子霍尔效应中）发现的两维空间中的具有特定手性的引力子激发。通常高维时空中的引力子可具有双重自旋态（如+2或-2），但实验中观测到的引力子模仅呈现单一自旋方向（只能为+2或-2），这种自旋自由度受限的特性被称为“手性”。现实宇宙中的3+1维时空中的引力子本身无固定手性，而“手性引力子”是低维凝聚态系统中涌现的、具有特定对称性破缺的准粒子表现形式。
问：在什么情况下会产生物体之间的强相互作用力？答：强相互作用力一般只在非常小的距离里面产生，例如，在质子内部的夸克跟夸克之间。
问：小说《三体》中描述的“水滴”探测器基于强相互作用力原理。人类未来是否可能将强相互作用力实际应用于武器化？答：在四种基本相互作用力（电磁力、强相互作用力、弱相互作用力、引力）中，人类对电磁力的理解和操控能力是比较深刻的，而对其他三种力仍非常有限。若未来在强相互作用力理论与技术上取得突破，其武器化存在理论可能性，但这属于远期展望，目前尚未实现有效掌控。
新闻来源：墨子沙龙