LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)可以觀測量子引力嗎?

2020-12-12 天文在線

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

賽斌是一位專注量子引力跟高能物理的理論物理學家，也是一名自由科普作者。

圖：SXS，極端時空模擬項目

困難，但並非不可能。

愛因斯坦的廣義相對論（general relativity）預測說：加速中的大質量物體會發射引力波。直至上周，在這個預言後的一個世紀，LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)聯合實驗室宣布他們首次探測到了引力波。不過這僅僅是開始——我們可以期待更多的成果，把愛因斯坦理論的實證研究準確性提升至前所未有的水平。LIGO的結果對於那些努力探索量子引力理論的物理學家們意味著什麼呢？——廣義相對論跟量子引力學之間的關聯到底缺失了什麼？

圖：T. Pyle/加州理工學院/麻省理工學院/雷射幹涉引力波觀測站實驗室.

廣義相對論是非量子力學理論，它預言了引力波，但並沒有嘗試發現與此吻合的引力量子化形態，因此解釋引力波的存在不需要量子引力理論。但我們都認為量子引力引發了「引力子（gravitons）」——一種量子化的引力波。引力子是一種跟引力波相關的粒子，正如光子跟電磁波的關係——粒子是波的一個小小的組成部分，其能量跟波的頻率有關。廣義相對論中關于波自身的特性告訴了我們很多有用的、關於引力子量子形態的信息：引力子沒有質量，自旋數=2（光子=1，電子=1/2，泊松粒子=0），以光速傳播。

一束引力波由大量引力子構成，但觀測單個引力子卻異常困難，這遠遠超出了我們的實驗條件。因此LIGO無法觀測單個引力子——就像電視天線不能接收單個光子一樣：就算存在單個引力子，探測器也無法一一識別這些粒子，亦無法感知如此細小、離散的能量。如果引力子存在，LIGO雖然能探測它們，但無法逐一分辨未量子化引力波中的大量引力子。因此LIGO無法證明引力子的存在。

由於目前沒有一套完整的量子引力理論，我們無法確定LIGO對解釋量子引力是否有幫助，這取決於我們對量子引力的認知。

大家都認為量子引力的影響在強時空扭曲區域中更明顯。但在量子引力領域，「強扭曲」是指向黑洞中心的扭曲，而非相對較弱的黑洞地平線上的扭曲。LIGO觀測到黑洞融合無法探明黑洞中心發生了什麼，也無法探明強烈的量子引力影響。

圖：加州理工學院/麻省理工學院/LIGO實驗室,LIGO首次觀測到引力波信號

一些理論認為黑洞水平線附近的量子引力效果並不微弱，不過尚無定論。諸如黑洞毛球、黑洞火牆，黑洞纏繞等物質會影響黑洞水平線，在這些場景中量子引力波動會在光譜噴發時留下印記，能被LIGO或者後續的引力波實驗所觀測。

上周一份刊發在arXiv的簡報中，加利福尼亞大學芭芭拉分校的斯蒂夫·季定思提供了對於這些問題的概括性思考。他認為水平線跟常規黑洞結構的偏離導致引力波信號缺乏典型性，且能量比廣義相對論預測的要大。現在數據正在搜集中，相信定量分析會隨後發布。

任何跟廣義相對論的偏差都能為我們量子化引力給予提示。雖然之前無法在地面直接觀測引力波，現在的觀測能確保我們揭示更多新事實並帶來新觀點。

廣義相對論對於動態黑洞合併或者引力波傳播方式產生的偏差非常敏感，比如公式不成立或者引力子可能有質量。因此，雙引力、廣義相對論的更高維修訂、附加長範圍的相互作用，或者引力場以太——這些理論將面對附加檢驗。毫無疑問，有些會勝利（可能跟相對論預測的誤差很小而被保留），有些會失敗，而其中之一將取代愛因斯坦的理論。

除了黑洞合併，LIGO也可能探測一些陌生的、不符合現在標準理論的信息，比如宇宙弦。宇宙弦是穩定的，可見的一維物質，有著極高的能量，它們可能誕生於早期宇宙且存在至今。

圖：Andrey Kravtsov（宇宙論模擬）；B. Allen & E.P. Shellard（宇宙弦理論模擬）

這些宇宙弦在穿入自身或迴環時形成凸點並釋放引力波。若這些物質至今存在，意味著早期宇宙狀態中它們就有形成的條件——這將驗證高能物理的統治地位，在這裡量子引力和大統一理論物理學家扮演著重要角色。因此，宇宙弦掌握著物理學基本問題的信息。LIGO之前搜尋過宇宙波弦，但無法找到它們存在的證據。不過去年LIGO的升級提高了觀測敏感度，可以更加準確地搜尋這類物質。

圖：NASA，古德哈德宇航中心

最後不得不提的是LIGO的引力波幹涉儀只能測量特定波長，但其他波長包含了宇宙結構的其他信息。在早期宇宙中存在的原始引力波對量子引力有著特別意義。這些引力波有明確的量子特性，對它們的探測可以追溯到很早以前。比如2014-BICEP2（Background Imaging of Cosmological Extragalactic Polarization 2，宇宙河外星系極化背景映像2）在通告發布後又改口說的那樣——測量原始引力波異常困難，但現在只是引力波天文學的開端，我們能在接未來數年嘗試獲得更好的數據。

總之，我們對引力波探測器在未來數年能觀測量子引力的效果不報太大希望。但總有新方法給我們帶來驚喜——不忘初心，繼續前行。

作者： Starts With A Bang

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