哥本哈根大學團隊參與南極大型實驗，努力探索量子層面是否也存在引力；一種能夠不受干擾地穿越空間的非凡粒子似乎蘊含著答案。數千個感測器分佈在南極附近一平方公里的範圍內，它們的任務是回答物理學中一個懸而未決的大問題：量子引力是否存在？這些感測器監測從外太空到達地球的中微子–不帶電荷、幾乎沒有質量的粒子。

哥本哈根大學尼爾斯-玻爾研究所（NBI）的一個團隊參與開發了利用中微子資料揭示量子重力是否存在的方法。

冰立方中微子天文台俯瞰圖，該天文台埋藏在南極南極冰層下1.5 至2.5 公里深處。冰立方實驗室是地表以上唯一可見的設備，裡面的電腦負責收集冰層中5,000 多個光感測器的資料。圖片來源：冰立方合作組織/NSF

“如果我們相信量子引力確實存在，這將有助於把目前物理學中的兩個世界統一起來。今天，經典物理學描述了我們周圍的現象，如萬有引力，而原子世界只能用量子力學來描述。量子理論和引力的統一仍然是基礎物理學中最突出的挑戰之一。如果我們能為此做出貢獻，那將會非常令人滿意，”NBI 助理教授Tom Stuttard 說。

最後，DOM 降入陣列，開始擷取資料。資料來源：馬克-克拉斯伯格，冰立方/NSF

Tom Stuttard 是著名期刊《自然物理學》（Nature Physics）今天發表的一篇科學文章的共同作者。文章介紹了NBI 團隊和美國同事進行的一項大型研究的結果。已經對30 多萬個中微子進行了研究。然而，這些中微子並不是源自深空的最有趣類型的中微子。這項研究中的中微子是在地球大氣層中產生的，因為來自太空的高能量粒子與氮或其他分子發生了碰撞。

“研究源自地球大氣層的中微子有一個實際優勢，那就是它們比來自外太空的同類中微子要常見得多。我們需要許多中微子的數據來驗證我們的方法。現在我們已經做到了這一點。因此，我們已經準備好進入下一階段，研究來自深空的中微子。”

Tom Stuttard，NBI 助理教授。資料來源：NBI

冰立方中微子天文台位於南極洲阿蒙森-斯科特南極站旁。與大多數其他天文學和天文物理學設施相比，冰立方中微子天文台最適合觀測地球另一側（即北半球）的空間。這是因為，雖然中微子完全能夠穿透我們的星球，甚至穿透其炙熱、緻密的內核，但其他粒子會被阻擋，因此來自北半球的中微子訊號要乾淨得多。

冰立方設施由美國威斯康辛大學麥迪遜分校營運。來自世界各國的300 多名科學家參與了冰立方合作。哥本哈根大學是擁有冰立方中微子研究中心的50 多所大學之一。

由於中微子不帶電荷，幾乎沒有質量，因此不受電磁力和強核力的干擾，能夠以原始狀態在宇宙中旅行數十億光年。問題的關鍵在於，中微子在遠距離傳播過程中，其特性實際上是完全不變的，還是會發生微小的變化。 Tom Stuttard說：”如果中微子發生了我們所懷疑的微妙變化，這將是量子引力的第一個有力證據。”

為了了解研究小組正在尋找中微子特性的哪些變化，我們需要了解一些背景資訊。雖然我們稱它為粒子，但我們觀測到的中微子實際上是三種粒子共同產生的，這在量子力學中被稱為疊加。中微子可以有三種基本組態–物理學家稱為”味道”–即電子、μ介子和tau。當中微子飛行時，我們觀察到的構型會發生變化，這種奇特的現象稱為中微子振盪。這種量子行為在數千公里甚至更遠的距離上都能保持，這被稱為量子相干性。

“在大多數實驗中，相干性很快就會被打破。但人們並不認為這是量子引力造成的。只是在實驗室中創造完美的條件非常困難。你想要完美的真空環境，但不知何故，有些分子會設法溜進來等等。相較之下，中微子的特殊之處在於它們根本不受周圍物質的影響，因此我們知道，如果相干性被破壞，也不會是人造實驗裝置的缺陷造成的，”Tom Stuttard解釋。

當被問及發表在《自然-物理》上的研究結果是否符合預期時，研究人員回答說：”是的，我們發現自己處於一類罕見的科學項目中，即沒有既定理論框架的實驗。因此，我們不知道會有什麼結果。不過，我們知道，我們可以尋找量子重力理論可能具有的一些一般特性，雖然我們確實有希望看到與量子重力有關的變化，但我們沒有看到這些變化的事實並不完全排除它們是真實存在的。當南極設施探測到大氣中微子時，它通常已經穿越了地球。這意味著大約12700 千米–與源自遙遠宇宙的中微子相比，這是一個非常短的距離。顯然，量子引力需要更長的距離才能產生影響（如果它存在的話）。”

多年來，許多物理學家懷疑實驗是否有希望測試量子重力。分析表明這確實是可能的，隨著未來利用天體物理中微子進行測量，以及在未來十年建造更精確的探測器，我們希望最終能回答這個根本問題。

編譯自: ScitechDaily