訪談實(shí)錄

最近我們關(guān)注到南京大學(xué)物理學(xué)院的杜靈杰教授團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了一篇文章，說發(fā)現(xiàn)了引力子特征的準(zhǔn)粒子。這個(gè)（研究）引發(fā)了網(wǎng)友的熱議。網(wǎng)絡(luò)上有一種說法，說這項(xiàng)成果有可能成為預(yù)定諾獎(jiǎng)的成果，發(fā)現(xiàn)了引力子的“投影”。

那這項(xiàng)成果到底有什么影響呢？今天我們就邀請(qǐng)到了南京大學(xué)物理學(xué)院杜靈杰教授，還有新加坡南洋理工大學(xué)物理系的楊波教授，請(qǐng)他們和大家一起聊一聊。

主持人：杜老師您好！最近我們關(guān)注到您在《自然》上發(fā)表了一篇文章，發(fā)現(xiàn)了引力子特征的準(zhǔn)粒子。那么這個(gè)發(fā)現(xiàn)和引力子之間有什么關(guān)系嗎？

杜靈杰：首先我們的工作并沒有觀察到真正的大家一般意義上的引力子，但確實(shí)是在一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)中揭示了引力子物理的現(xiàn)象。我們這一發(fā)現(xiàn)和（發(fā)現(xiàn)）引力子比，打個(gè)比方吧，可能就像紙飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)的差距。引力子的研究是物理學(xué)的終極問題之一，如果發(fā)現(xiàn)引力子，那將是驗(yàn)證大統(tǒng)一理論的關(guān)鍵，這個(gè)影響將超乎想象。

主持人：好的，剛才杜老師說，這項(xiàng)研究距離真正地發(fā)現(xiàn)引力子可能還有特別長(zhǎng)的路要走。那么楊教授，針對(duì)網(wǎng)上說，這項(xiàng)成果有可能成為預(yù)定諾獎(jiǎng)的成果，還有發(fā)現(xiàn)了引力子的“投影”，您怎么看這個(gè)事情？

楊波：首先我可以講一下，就是杜老師的這個(gè)工作就是從難度來講或者重要性來講，肯定是毋庸置疑的。因?yàn)樗麄冊(cè)谶@個(gè)二維電子氣里面看到了這樣一個(gè)非常有意思的一種激發(fā)，在實(shí)驗(yàn)上非常困難。因?yàn)槲覀冎涝诙S電子氣里面實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)已經(jīng)是非常難的一個(gè)實(shí)驗(yàn)了，對(duì)超低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)跟高質(zhì)量的樣品都有非常高的要求。然后杜老師他們的團(tuán)隊(duì)能夠在這么苛刻的條件下還能夠精確地去實(shí)現(xiàn)光子和電子液體的耦合和測(cè)量，特別是他們用的是一種旋轉(zhuǎn)偏振光去捕捉所謂引力子激發(fā)的信號(hào)，真的非常不容易。因?yàn)樵诜謹(jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)里面，引力子這個(gè)概念和理論大概十幾年前就提出來過了，因?yàn)樗哪芰亢秃芏嗥渌ぐl(fā)態(tài)的能量相當(dāng)，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)覺得在實(shí)驗(yàn)上是非常難以看到的。所以杜老師他們這個(gè)工作在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上也好，或者對(duì)驗(yàn)證理論上來講，也是非常大的一個(gè)突破。

你剛才講的就關(guān)于媒體的這個(gè)說法，是不是可以預(yù)定諾獎(jiǎng)什么的，我（覺得）這可能還是一個(gè)比較抓眼球的一種說法。因?yàn)樵谖覀冾I(lǐng)域的話，一些很嚴(yán)肅很重要的工作，其實(shí)我們不會(huì)一開始去貼一個(gè)標(biāo)簽說是什么級(jí)別，或者諾獎(jiǎng)級(jí)別的一個(gè)工作。因?yàn)槲覀冎?，除了一些非常少?shù)的例子以外，大部分諾獎(jiǎng)的工作都需要經(jīng)過十幾年甚至幾十年的沉淀，才能對(duì)它的重要性和影響性有一個(gè)比較全面的了解，甚至它實(shí)用性方面有一個(gè)全面的了解。所以目前來講，我們應(yīng)該還是要祝賀一下杜老師這個(gè)非常重要的工作，然后讓我們拭目以待吧。

主持人：杜老師，剛才您也提到了就說目前的研究成果可能距離真正地發(fā)現(xiàn)引力子還有特別長(zhǎng)的路要走，那么您目前的這項(xiàng)研究有哪些意義和作用呢？

杜靈杰：我們?cè)谶@個(gè)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中觀察到的引力子模，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果是首次在一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)中觀察到具有引力子特征的一個(gè)集體激發(fā)。那這項(xiàng)研究呢，它可以為在凝聚態(tài)系統(tǒng)中探索量子引力相關(guān)的物理開辟路徑。并且我們這個(gè)研究對(duì)于凝聚態(tài)物理來說，本身也很重要。它可以為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)全新的幾何解釋提供直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，開辟了在關(guān)聯(lián)物態(tài)量子幾何研究中的一個(gè)新方向。

主持人：剛才兩位老師分別介紹了這項(xiàng)成果的影響，還有意義。那么大家也可能比較好奇，就是杜老師，您在研究的過程中有什么比較難忘的事情可以和大家分享一下嗎？

杜靈杰：是這樣，我們當(dāng)時(shí)就是說花了將近三年時(shí)間，在南京大學(xué)這邊我們就自主設(shè)計(jì)，然后組裝了一臺(tái)根植于稀釋制冷技術(shù)的這種極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)的這么一臺(tái)共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。其實(shí)它也是一臺(tái)類似于拉曼系統(tǒng)（的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）。這個(gè)系統(tǒng)大概有兩層樓高，它可以把樣品（冷卻到）零下273.1攝氏度，捕捉到最低達(dá)到10G赫茲的微弱激發(fā)，并且判斷其自旋。我當(dāng)時(shí)想做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，國(guó)內(nèi)外其實(shí)并沒有滿足這種測(cè)量要求的設(shè)備。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備的要求也非常高，所以我們當(dāng)時(shí)花了很長(zhǎng)的時(shí)間去進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且解決這一系列的困難。

這個(gè)研究其實(shí)也是一波三折。因?yàn)槲覀兊臉悠穪碜試?guó)外的合作者，但當(dāng)初樣品進(jìn)出海關(guān)的時(shí)候差點(diǎn)被扔掉。當(dāng)時(shí)我正好在外地出差，急得我連夜回到了南京，立刻寫申請(qǐng)擔(dān)保，這才保住了我們的實(shí)驗(yàn)樣品，也才有了后面的一系列的實(shí)驗(yàn)。而在后面的實(shí)驗(yàn)過程中，其實(shí)我們也走了很多的彎路。由于思維定勢(shì)的一些限制，我們的研究對(duì)象是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子模，其根據(jù)理論最明顯的特征其實(shí)就是自旋為2。這也是很多時(shí)候媒體在說的事情，所以我們當(dāng)時(shí)也是這么認(rèn)為的。在前期的實(shí)驗(yàn)中主要關(guān)注的是自旋特征，但其實(shí)自旋2并不代表就一定是引力子模，引力子模的特征能量同樣重要。但這也是到后來我才意識(shí)到的。

我還記得是2023年7月份的時(shí)候，在西班牙參加一個(gè)國(guó)際會(huì)議的時(shí)候，有一位非常資深的專家問了我一個(gè)問題。他說你怎么知道自旋為2的激發(fā)就一定是引力子模呢？當(dāng)時(shí)一下子把我給問住了。就是我記得當(dāng)時(shí)那個(gè)星期我過得很痛苦，為了回答這個(gè)問題，因?yàn)槲易约阂蚕敫忝靼走@個(gè)事情。但有的時(shí)候思維定勢(shì)的改變是很困難的。后來過了一兩個(gè)月，最終我才想到我們可以通過特征能量的方式證明引力子模。這最終也讓論文順利發(fā)表。

主持人：這項(xiàng)成果目前已經(jīng)取得了一個(gè)階段性的突破。那么，接下來杜老師您有什么新的研究計(jì)劃嗎？

杜靈杰：我個(gè)人覺得凝聚態(tài)它是一個(gè)非常有意思的學(xué)科領(lǐng)域，它的研究范圍也很廣。比如近年來人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多新奇的粒子在凝聚態(tài)系統(tǒng)中都存在著具有類似物理性質(zhì)的對(duì)應(yīng)。這樣人們可以利用相對(duì)小巧的凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來研究高深的粒子物理。那未來呢，我打算繼續(xù)圍繞分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子模繼續(xù)（深入）展開（一些）系統(tǒng)的研究工作。

主持人：凝聚態(tài)物理研究在過去40多年可以說誕生了很多成果。就比如說諾獎(jiǎng)，還有中國(guó)的國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)。那么就是，為什么國(guó)內(nèi)還有國(guó)際上有這么多科學(xué)家都朝這個(gè)方向去研究呢？您能給我們分享一下嗎？

楊波：主要的原因可能還是因?yàn)槟蹜B(tài)物理其實(shí)是一個(gè)非常廣的一個(gè)物理的一個(gè)分支。因?yàn)樗鋵?shí)下面有很多分支。通俗來講，凝聚態(tài)物理是研究對(duì)各種物體跟各種液體的研究。我還特意查過一下，就是在以前，就是比如說五六十年前甚至更早的時(shí)候的各個(gè)分支，比如說像晶體學(xué)也好，冶金學(xué)也好，彈性力學(xué)、磁學(xué)到現(xiàn)在都被歸納到凝聚態(tài)物理里面。因?yàn)樗幸惶追浅＝y(tǒng)一的思想去研究這一類固體，甚至是固體跟液體這樣一些系統(tǒng)。

然后從另外一個(gè)方面來講，就是凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料學(xué)等其他的學(xué)科也有非常緊密的聯(lián)系。所以不管是中國(guó)也好，或者是國(guó)外很多其他國(guó)家來講，從事凝聚態(tài)物理學(xué)的科學(xué)家應(yīng)該確實(shí)是在所有物理學(xué)大分支里面是最多的。因?yàn)樗鋵?shí)包含的面也就是非常的廣。然后另外一個(gè)角度可能也就是，說凝聚態(tài)物理雖然它里面有非常抽象，也非常高深的理論，但它總的來說在很多方面也會(huì)比較接地氣吧。比如說一些最有意思的系統(tǒng)之一，比如說像超導(dǎo)體，可以說是非常抽象的一套理論，大家也花了很多的時(shí)間去理解超導(dǎo)到底是怎么一個(gè)機(jī)制。但超導(dǎo)體跟我們平常日常關(guān)系的相關(guān)度還算是比較高的。比如說我們知道在核磁共振里面超導(dǎo)體已經(jīng)得到了比較大的一個(gè)應(yīng)用。甚至在我們現(xiàn)在的手機(jī)里面超導(dǎo)體也是扮演著重要的角色，可以讓我們把一個(gè)很大的一個(gè)裝置縮小到一個(gè)很小的一個(gè)裝置。所以跟其他學(xué)科來比的話，可能它也是一個(gè)比較接地氣的一個(gè)學(xué)科一個(gè)分支吧。

主持人：好的，感謝兩位老師的精彩分享。我們也希望中國(guó)的科學(xué)家有更多的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。今天的節(jié)目就到這里，感謝大家的關(guān)注。關(guān)注科技日?qǐng)?bào)，了解更多精彩內(nèi)容。我們下期再見。