引力波迷霧:既然是波,必符合波粒二象性,為何只見波卻不見粒子

2020-12-09 天文同好樂園

愛因斯坦於1916年預言了引力波的存在,但遺憾的是,在他的畢生之年未曾有機會親身見證這種難以捉摸的現象的存在。2015年9月14日,這一天在物理史上將被永載史冊,因為這一天,美國的雷射幹涉引力波天文臺(英文簡稱LIGO)接收到了第一個來自宇宙深處的引力波信號。截止到2018年底,LIGO和歐洲的Virgo探測器通過聯合觀測,又接收到了9起比較確信的雙黑洞合併事件產生的引力波,外加一起雙中子星合併事件產生的引力波。

引力波是廣義相對論中所預言的,發現引力波也就等於再次驗證了廣義相對論的正確性。那麼,引力波到底是什麼?它和我們常識中的波有什麼區別?通俗的來講,引力波就好像時空中的漣漪,時空受擾動後,這種擾動會像波一樣向外傳播,傳播的速度是光速。引力波帶來的效果之一就是使兩點間的距離有規律的振蕩。正是通過精確測量地球上兩點間距離的變化,LIGO才探測到了引力波。

那麼,就物理學而言,既然稱之為引力波,那它就必然具有波的特性。在量子力學中,波粒二象性可以算是是迄今為止發現的最奇特的量子現象之一,它一開始是被用來定義光的性質,說光既能像波一樣向前傳播,同時又表現出粒子的特徵。應該說,在量子力學領域,波粒二象性已經得到了無數驗證,從理論上來說,引力波應該也要符合波粒二象性的特徵。但是,到目前為止,科學家只看到了它們波的部分,卻從來沒有看到粒子的部分,這種粒子,就是指能傳遞引力的引力子。

仔細看,你看到了什麼?

就如同水波是由組成水的粒子構成的波一樣,物理學家們預期引力波也同樣是由粒子構成的。這些粒子就是所謂的引力子。在量子引力理論的框架下,引力子的作用就是傳遞引力,而引力是自然界固有的除電磁力、弱核力和強核力之外的第四種量子相互作用。所以物理學家認為,引力子作為引力的結果出現,而引力波應該由引力子構成。但是,物理學家們用盡了手段,就是找不到這種神秘的引力子。

目前,引力子是否存在,仍是物理學界的一個有爭議的話題。有許多學者試圖用儀器來探測它存在的真實性,最終都沒有得到理想的結果,對於它的存在仍然是一個謎。但從量子引力的觀點出發,引力子是必定存在的。引力在量子化時,引力能量必須由引力子作為載體將能量傳遞到無限遠處,這是存在引力子的一種有說服力的理由。現在有一種觀點認為,我們在三維空間中所熟悉的引力太微弱了,以至於無法探測到引力子,也許在更高維度的空間中,引力子才會出現更明顯的特徵信號。一些物理學家現在寄希望於大型強子對撞機,在極高能標下的粒子碰撞也許能產生引力子。

相關焦點

  • 不僅光具有波粒二象性,所有物質都具有波粒二象性,這就是物質波
    他想到了愛因斯坦所提出的光的波粒二象性,愛因斯坦關於光的波粒二象性,簡言之就是說光既具有波的特性,又具有粒子的特性。它既是波也是粒子。無論說光是波,還是粒子,都有相關的實驗可以證明。而要證明光的粒子性,那麼就要依靠光電效應實驗了,讓光照射到一塊金屬板上,金屬板上的電子會被光子撞擊而出,這就體現出了光明顯的粒子性,而且實驗效果與光的動量和能量呈現正相關,也就是說光的動量越大,那麼粒子性就越明顯。愛因斯坦的光子理論為人類對光的認知掃清了迷霧,而且憑藉這一理論,愛因斯坦斬獲了他科學生涯之中的諾貝爾物理學獎。
  • 探求宇宙奧秘,了解微觀粒子波粒二象性的本質
    光能源在光具有波粒二象性的啟發下,1924 年法國物理學家德布羅意提出一個假說,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微觀粒子之後, 科學家為驗證波粒二象性, 通過光的幹涉、 衍射、光電效應、康普頓效應以及湯姆孫的電子通過金的多晶薄膜的衍射和約恩遜的電子通過夾縫的衍射等實驗,證實光和電子存在波粒二象性。
  • 光具有波粒二象性,那引力波呢?科學家給出解釋!
    引力波是否表現出波粒二象性呢?圖源:NASA目前雷射幹涉引力波天文臺已經探測到了第一個引力波信號,正如愛因斯坦理論中的預測,構成太空的本身應當有波紋和波的部分已經得到了證實。隨之而來的是各種各樣有趣的問題,包括從讀者(以及Patreon的支持者)來的問題,Joe Latone問:「引力波是否表現出波粒二象性呢,如果有的話,雷射幹涉引力波天文臺的物理學家們是否也有方法證實呢,就像雙縫幹涉實驗那樣?」波粒二象性是我們從未揭開的量子力學中最奇怪的結果之一。
  • 光是波還是粒子?量子力學如何闡釋波粒二象性
    光到底是波還是粒子?這是一個曾經爭執了上百年的問題,有人認為光是波,有人認為光是粒子。到了20世紀初,這兩種理論已經完全背道越走越遠,並且都各自堅信自己的理論才是唯一正確的。究竟是波還是粒子,大家決定用一個實驗來證明,即雙縫幹涉實驗。
  • 什麼是波粒二象性?
    光到底是波還是粒子呢?光具有波粒二象性,一定程度上是波,一定程度上是粒子。你可能對這個答案非常不滿意,但其實這就是答案!波粒二象性不是波粒「雙標」,可不是我想什麼時候把它當作波(粒子)就什麼時候把它當作波(粒子)。有一套確定的物理規則,告訴我們在什麼時候光看起來像經典的波,什麼時候看起來像經典的粒子。
  • 據稱引力波再度現身,可我們能探測到它的波粒二象性嗎?
    2015年,LIGO團隊宣布他們首次探測到了兩個黑洞碰撞產生的引力波信號,之後在2017年又宣布首次探測到兩個中子星併合產生的引力波信號。這一次,在北京時間8月15日,LIGO團隊宣布再次探測到一組引力波信號,並認為這次可能是由黑洞和中子星之間的碰撞產生的。廣義相對論預言了時空的漣漪——引力波的存在,但如果量子理論是正確的,那麼引力波也應當表現出波粒二象性。
  • 光既非粒子亦非波,結束光的波粒二象性世紀之爭
    光是粒子還是波?這個問題爭了幾個世紀也沒有定論,到底是為什麼呢?這個問題要從17世紀說起:1655年,格裡馬第發現了光的衍射,這是最早觀察到的光的波動性。1672年,牛頓在解釋光的色散時提出光是一種粒子……從此便開始了光是粒子還是波之爭。
  • 電子是具有波粒二象性的微觀粒子,但為何無體積,卻有半徑呢?
    量子講堂第十一期:電子是一種微觀粒子,電子具有明顯的波粒二象性,但為何物理學家稱電子是一種有半徑、卻無體積的粒子呢?看似熟悉的電子背後到底隱藏著哪些我們從未了解的真相呢?電子是什麼?電子的波粒二象性波粒二象性是量子力學中的一個物理名詞,證明波粒二象性的物理實驗有很多,例如著名的電子雙縫幹涉實驗,簡單來說就是將電子連續不斷的向前方的雙縫發射,雙縫後面的感應屏幕顯示當電子通過雙縫後產生了幹涉行為,幹涉行為通俗點說就是:我們將兩塊石子丟向湖面,兩塊石子落入水中的那一刻會在湖面產生兩個波浪
  • 波粒二象性
    1、光的本性:光既具有波動性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。能量ε和動量p是描述物質的粒子性的重要物理量;波長λ和頻率ν是描述物質的波動性的典型物理量。因此ε=hν和p=h/λ揭示了光的波動性和粒子性之間的密切關係。二、粒子的波動性德布羅意假說:實物粒子也具有波動性性。任何一個現實中的物體,都有一種波與它相對應,這種波叫做物質波,也稱為德布羅意波。物質波的波長
  • 波粒二象性行為:重分子粒子從光束散射後顯示出波的特性
    波粒二象性是我們宇宙的基本事實。但是我們看不到許多物體像波浪一樣四處移動。所以當一個球擊中你的頭時會感到痛的原因:你和球的行為都像粒子一樣。原則上,物體的這種波狀的性質需要被觀測。現在,發表在最近的《物理評論通訊》最新研究論文表明:具有相對較重、複雜的大分子粒子可以觀測到這種波動性。關于波與粒的爭論始於牛頓時代,水的波浪才剛剛開始被理解。一系列實驗表明,光不僅僅局限是所眼見到的。那麼光是粒還是波?辯論一直在進行,直到託馬斯·楊在1803年提出了他的經典雙縫實驗的結果,表明光是波。
  • 改「波粒二象性」為「波粒一象性」
    當然,也有人就簡單放過了這個問題,說,這就是光的「波粒二象性」:你看,有的時候像粒子(展示光電效應的時候),有的時候像波(幹涉效應的時候)。其實,這是完全錯誤的:光既是粒子,也是波,任何時候都是!光子就是那個可以用波的數學來描述的粒子。其任何行為都可以「用波的數學來描述這個光的粒子」這個數學模型來計算出來。
  • 用陰陽的概念來理解波粒二象性
    波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。1905年,愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋,人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年,德布羅意提出「物質波」假說,認為和光一樣,一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說,電子也會具有幹涉和衍射等波動現象,這被後來的電子衍射試驗所證實。
  • 波粒二象性真的難以理解
    波粒二象性真的難以理解文/袁玉剛 圖/來自網際網路眾所周知,光具有波粒二象性,也就是說,光既是粒子又是波。但在歷史上,光的粒子說和波動說曾經長期爭執不休。1637年,笛卡爾在他的《方法論》的附錄《折光學》中提出了兩個假說:一是光是類似於微粒的一種物質;二是光是一種以以太為媒質的壓力。這兩個假說實際上就是粒子說和波動說。
  • 光的波粒二象性
    量子力學對微小粒子,如原子和光子的行為預測上,具有驚人的準確性。然而這些預測非常違反直覺。比如量子理論認為類似光子的粒子可以同時在不同的地方出現,甚至是同時在無窮多的地方出現,就像波的行為一樣。這種被稱為「波粒二像性」的概念,也適用於所有亞原子粒子,如電子、夸克甚至希格斯玻色子等。
  • 清華大學在實驗中證明了宏觀物體的波粒二象性
    清華大學研究人員在實驗中首次觀察到了液態金屬流體宏觀體系中的波粒二象性,為藉助金屬流體行為認識量子世界乃至更多物理體系開啟了一條全新的途徑。2005年法國科學家伊夫·庫代(Yves Couder)的團隊用矽油實現了波粒二象性的實體化,這一發現引發了人們對導航波理論以及量子世界本質的重新思考。
  • 既然物質具有波粒二象性,為何一定要用粒子來構建原子模型呢?
    既然所有物質都具有波粒二象性,為什麼我們一定要用粒子來構建原子模型呢?我們也可以用電磁波來構建原子模型。根據E=HV=MC^2,我們很容易算出質子(中子)能量與γ射線相對,電子能量與X射線相對,電子外面還存在大量的電磁波,否則失去電子的原子核不就會「裸奔」了。
  • 《自然數波粒二象性與世界泛波粒二象性存在》論文4泛存
    二、世界泛波粒二象性存在(一)、非生命世界泛波粒二象性存在物理上很長時間一直對光的存在狀態,是粒子還是波的形態,發生著爭論。持粒子態證據是光的反射,符合彈性小球碰撞規律;持波的形態證據是,光能夠發生幹涉。
  • 波粒二象性:無法像理解宏觀規律的那樣直觀的「理解」波粒二象性!
    波粒二象性並不是比較本質的描述,所以被即有粒子的性質又有波的性質這種迷惑是很正常的的事。倒不如說波粒二不像性,這樣至少能明白即不是經典意義上的波也不是經典意義上的粒子。比如你有一個電子,在你不做任何觀測的時候它是一個波函數,按照薛丁格方程快樂地演化。當你測量它的位置的時候,這個過程差不多是這樣的:你:「波函數啊波函數,請告訴我你的位置吧!」
  • 波粒二象性——物質其實是矛盾體
    粒子在日常生活中更為常見。南方人一日三餐碗中的大米飯是粒子形狀,粘在麵包表面的芝麻是粒子形狀,很多水果的種子都是粒子形狀……我們習慣借用宏觀世界的粒子形狀來理解微觀世界的物質。例如,光、電子、原子之類物質,我們喜歡將他們想像成粒子形狀的東西。雖然人類的大腦雖然具有抽象能力,但要描述或理解事物,必須得藉助日常經驗到的物體形象。
  • 《黃帝內經》中關于波粒二象性的描述
    首先,我們要大概知道物理學上關于波粒二象性的概念是什麼樣子的,波粒二象性(wave-particle duality)指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述,也可以部分地用波的術語來描述。