引力子（Graviton）又稱重力子，是量子引力理論中，一種介導(dǎo)引力相互作用的基本粒子。每個引力子形態(tài)各異，作用范圍無限遠，是相吸的。
1666年，英國物理學家艾薩克·牛頓（Sir lsaac Newton）提出了引力的概念，他認為世間萬物之間都存在一種相互吸引的力，即萬有引力。1916年，美國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）對牛頓萬有引力理論進行擴展和修正，提出了廣義相對論。他從詹姆斯·麥克斯韋（Maxwell）得到啟發(fā)，在廣義相對論的基礎(chǔ)上預(yù)言了引力波的存在。他認為，引力或引力場是質(zhì)量體引起的時空彎曲，時空彎曲是產(chǎn)生萬有引力場的原因。引力是通過引力波傳播的，而引力波是通過引力子使物體相互吸引。1934年，布洛亨采夫（Blokhintsev）和加爾佩林（Gal’perin）在他們關(guān)于能量守恒和中微子假說的論文中提出了“引力子”這一詞。量子引力理論（弦理論）的提出使引力子的研究有了一定的進展。科學家在描述引力子相互作用時，引入了量子引力理論中的弦理論，解決了引力不可重整化的問題。
引力場和其他場物質(zhì)可相互轉(zhuǎn)化，除以產(chǎn)生光子的方式進行外，還可能以產(chǎn)生兩個引力子的方式進行。人們還推測，引力子的靜止質(zhì)量為零，電荷為零，是自旋為的以光速運動的玻色子。由于單個引力子非常微弱，且直徑很小，至今科學家都沒直接探測到單個經(jīng)典引力子。即便如此，人們還是在對引力子的實驗觀察上有一定進展。如2016年，LIGO科學組織和Virgo團隊首次探測到了雙黑洞合并時產(chǎn)生的引力波信號。
定義
在量子引力理論中，引力子是假設(shè)的引力量子，是一種介導(dǎo)引力相互作用的基本粒子。兩個物體之間的引力可以歸結(jié)為構(gòu)成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。據(jù)科學家推測，引力相互作用是由一種尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子介導(dǎo)的，該粒子被稱為引力子。自然界的另外三種已知力都是由基本粒子介導(dǎo)的：光子介導(dǎo)電磁作用，膠子介導(dǎo)強相互作用，中間玻色子介導(dǎo)弱相互作用。
發(fā)展歷史
前期探索
1666年，英國物理學家艾薩克·牛頓（Sir Isaac Newton）提出了引力的概念。他認為引力雖弱，普遍存在于萬物之間。引力與其他形式的“力”一樣，也是相互吸引的力，“蘋果落地”就是萬有引力發(fā)揮作用的例子。但是隨著人類認識范圍的擴大和深入，人們發(fā)現(xiàn)萬有引力定律也有不完善的地方，它本身還存在一些費解的問題。
1915年，美國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了廣義相對論，它對牛頓引力理論做出了擴展和修正，是一種全新的角度探討宇宙中的引力理論。愛因斯坦認為，引力或引力場是質(zhì)量體引起的時空彎曲，時空彎曲是產(chǎn)生萬有引力場的原因，任何物體周圍都存在引力場，而引力場存在于彎曲的時空里。引力是通過引力波傳播的，而引力波是通過引力子使物體相互吸引。
1934年，布洛亨采夫（Blokhintsev）和加爾佩林（Gal’perin）在他們關(guān)于能量守恒和中微子假說的論文中提出了“引力子”這一詞。1959年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）提議引力的最終量子化可稱為“引力子”，這個名字立即成了物理學家詞匯的一部分。
后續(xù)發(fā)展
量子引力理論（弦理論）的提出使引力子的研究有了一定的進展。科學家在描述引力子相互作用時，費曼圖的經(jīng)典理論和半經(jīng)典修正（比如一圈圖）的行為正常。然而，至少有兩個圈的費曼圖會導(dǎo)致紫外線發(fā)散。這些無限的結(jié)果無法消除，因為量子廣義相對論在微擾重整化上不可行，不像量子電動力學和模型。這些問題（如引力不可重整化等）和補充的近似框架表明，在描述馬克斯·普朗克尺度附近的行為時，需要一個比量子廣義相對論更統(tǒng)一的理論，這個理論就是弦理論。
1978年，美國科學家J.H.泰勒（Tayler）領(lǐng)導(dǎo)的小組在對雙星（PSR1913+16）進行了四年的觀測之后，測出了雙星周期的減少率，并公布了他們的觀測結(jié)果。這一實驗結(jié)果間接地證明了引力波的存在，也給引力子的存在提供了證據(jù)。
2020年，中國學者周書華根據(jù)行星軌道分析引力子質(zhì)量上限。他認為按照阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，引力可與無質(zhì)量的引力子相聯(lián)系。通過對太陽系中行星運動的詳細觀測來計算引力子質(zhì)量的上限，可以檢驗引力子有無質(zhì)量。如果引力子質(zhì)量不為零，可能意味著需要超出廣義相對論的新理論。若引力以光速傳播，引力子的質(zhì)量應(yīng)為零。但是如果引力子具有微小的質(zhì)量，引力將具有由引力子的康普頓波長標志的有限力程。
2021年，中國學者桑澳菲通過研究發(fā)現(xiàn)中子星的轉(zhuǎn)動慣量I和四極矩Q存在著一個關(guān)系式，即I-Q關(guān)系。該關(guān)系式不依賴于中子星內(nèi)部的物態(tài)方程，與引力理論相關(guān)。因此，對該關(guān)系式的研究可用來檢驗引力理論。拉姆-加巴達澤-托利大質(zhì)量引力是一種自洽的引力子靜止質(zhì)量不為零的修正引力理論，是目前國際引力理論研究的熱點。基于該修正引力理論，在慢速旋轉(zhuǎn)近似下，利用多方指數(shù)n=0的物態(tài)方程，可計算拉姆-加巴達澤-托利大質(zhì)量引力中牛頓極限下的I-Q關(guān)系。學者們將拉姆-加巴達澤-托利大質(zhì)量引力與阿爾伯特·愛因斯坦引力中的I-Q關(guān)系進行比較，發(fā)現(xiàn)引力子質(zhì)量不會影響I與Q的平方之間無量綱化后的正比關(guān)系，但會改變其比例系數(shù)。
引力子是一種假想粒子，相當于引力版的“光子”。然而，與電磁力相比，引力太微弱，因此探測到引力子的希望還很渺茫，而且我自己也懷疑，從原理上講，是否真能探測到它們還需考究。
推論
根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，表示能量，單位是焦耳（），代表質(zhì)量，單位是千克（），而是真空中光速（），為常量，一般近似取，單個核子擁有的能量為：。假設(shè)引力子是一種類似光子的傳播子，其靜止質(zhì)量為零不帶電荷，其能量為普朗克常數(shù)和頻率的乘積，，在真空中以光速運行。普朗克常數(shù)為，則引力子在單位時間內(nèi)，可以攜帶的能量為：。
引力場和其他場物質(zhì)可相互轉(zhuǎn)化，如電子和正電子湮滅時，除以產(chǎn)生光子的方式進行外，還可能以產(chǎn)生兩個引力子的方式進行。人們還推測，引力子的靜止質(zhì)量為零，電荷為零，是自旋為的以光速運動的玻色子。
萬有引力引力相互作用也是交換引力子而實現(xiàn)的，引力是長程力，，可以推知引力子之間引力的強度為核力的倍。
實驗觀察
應(yīng)用物理學的基本定律，無法制造出能明確探測單個引力子的探測器，因為引力子與物質(zhì)相互作用的橫截面極小。例如，一個質(zhì)量相當于木星、效率為的探測器，放置在圍繞中子星的近距離軌道上，即使在最有利的條件下，預(yù)計也只能每10年觀測到一個引力子。此外，因為所需中微子在塌縮形成的黑洞中，引力子無法從中微子群中區(qū)分開來。由于單個引力子非常微弱，我們不可能直接探測到單個經(jīng)典引力子。
2013年，中國科學家王平等人運用理查德·費曼微擾方法計算了由超導(dǎo)墻和分形膜組成的電磁諧振系統(tǒng)中引力子轉(zhuǎn)化成光子的轉(zhuǎn)化概率。理論推導(dǎo)表明，當超強激光產(chǎn)生的高頻引力波通過耦合開放腔時，在一段持續(xù)的時間內(nèi)將產(chǎn)生擾動光子流。通過引入相關(guān)實驗參數(shù)以及運用轉(zhuǎn)化表達式，針對吉赫茲頻帶的高頻遺跡引力波，計算了在1秒的持續(xù)時間內(nèi)，在耦合開放腔中產(chǎn)生的擾動光子流，這些光子流通過分型膜傳輸。由于引力子和光子具有類似的屬性，光子流的產(chǎn)生一定程度上證明了引力子的存在。
2016年，LIGO科學組織和Virgo團隊首次探測到了雙黑洞合并時產(chǎn)生的引力波信號。在量子理論中，引力波被認為是由大量的引力子構(gòu)成。雖然這個實驗無法檢測單個引力子，但它們可能提供有關(guān)引力子某些屬性的信息。例如，如果引力波的傳播速度慢于真空中的光速，則意味著引力子具有質(zhì)量（但是引力波在某個區(qū)域中的傳播速度必須慢于真空中的光速），且質(zhì)量密度不為零。
2024年，中國南京大學物理學院杜靈杰教授領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊，在量子物理研究方面取得重大進展。他們利用極端條件下的偏振光散射技術(shù)在砷化鎵量子阱中對分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的集體激發(fā)進行了測量，世界上首次觀察到引力子激發(fā)（引力子模）——引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的新奇準粒子。
困難和突出問題
沒有人觀察過引力子，即使是探測引力波也很困難，因為它們與物質(zhì)的相互作用非常微弱。但只要量子理論適用于引力波，引力子就一定存在。引力子必須與物質(zhì)相互作用，因為當任何巨大的振動發(fā)生時，都會產(chǎn)生引力波。量子理論認為，就像光子與光相聯(lián)系一樣，必定存在與引力波相聯(lián)系的引力子。
相關(guān)概念
引力
引力也叫作“萬有引力”，是指物體之間由于質(zhì)量而產(chǎn)生的相互吸引力。地球表面的物體受到的重力，就是地球和物體之間的引力作用。正是由于引力作用，所以地球、行星才會圍繞著太陽運行，而月球、人造衛(wèi)星則圍繞著地球運行。
引力波
引力波是時空變形以波紋的形式向外傳播的波動引力場。它能脫離引力場源在真空中傳播。在廣義相對論中，引力波是以光速傳播的橫波，具有兩個偏振，并攜帶能量，其頻率范圍極寬。其他相對論引力理論中的引力波可能以不同于光速的速度傳播，且具有其他偏振。
引力場
引力場是指在宇宙天體之間及基本粒子之間，傳遞引力相互作用的物質(zhì)。弱引力場和靜態(tài)引力場適用于在萬有引力的基礎(chǔ)上建立了非相對論的引力場理論。引力場一般用引力場強度和引力勢來描述。
引力能量波
據(jù)科學家推斷，引力是頻率為的能量波，它的頻率高于γ射線，能穿透任何物質(zhì)，引力的最小單位是質(zhì)子和中子（核子），每個質(zhì)子和中子（核子）單位（1s）時間最多可以發(fā)出個引力子。
參考資料 >
引力子“投影”不是引力子，盲目狂歡不可取.紅網(wǎng).2024-06-26
Graviton.CHEMEUROPE.2024-06-25
引力波.中國大百科全書.2024-06-26
引力、引力場和引力子——關(guān)于引力能量波頻率的推斷.Hans.2024-06-26
Constraining mass of the graviton with GW170817.arxiv.2024-06-14
引力子存在嗎？ 科學家把難題交給了黑洞合并.國家自然科學基金委員會.2024-06-26
Can Gravitons Be Detected?.arxiv.2024-06-25
graviton.Britannica.2024-06-25
Nature發(fā)表南京大學杜靈杰團隊最新成果：實驗上首次發(fā)現(xiàn)引力子激發(fā).中國日報網(wǎng).2024-06-24