引力波是否具有「波粒二象性」?科學家試圖驗證這一問題

2020-12-05 品讀百卷

上世紀初,著名物理學家阿爾伯特.愛因斯坦(Albert.Einstein)基於「廣義相對論」就預見了引力波的存在,他認為引力是一種時空彎曲的效應,當一個具有質量的物體在時空中運動時,曲率變化反應了物體的位置變化。於某些特殊情況中,時空彎曲的效應會以波的形式向外傳播,這一傳播的現象就是「引力波」。一直以來,科學家們為了探尋和證實引力波的存在而進行了種種努力和實驗——比如約瑟夫.韋伯(Joseph Weber)在1957年至1959年期間進行的一系列實驗——可竹籃打水、一無所獲,直至2015年9月14日,美國的兩臺引力波探測器同時發現了一個引力波信號,引力波的存在才得以證實。

與光一樣,引力波也由麥克斯韋方程組所描述,應該具有衍射、幹涉等等波動性,可引力波的源頭是中子星、脈衝星和黑洞等等天體,因此,科學家們不能像檢驗光的波動性一樣、於實驗室裡設計和布置實驗系統。據武漢大學的研究員範錫龍介紹,人類已知的十幾次雙中子星合併事件,初步驗證了引力波的波動性,可這樣的驗證過於單一、並不充分。曾經,科學家們以「空間衍射」和「幹涉條紋觀測」的方式直接驗證了光的波動性,範錫龍等人組成的研究團隊也想採用類似的方式,更深入的驗證引力波的波動性。

「引力透鏡效應」(Gravitational lens effect)是廣義相對論中預言的一種現象,若光線在星系、星系團和黑洞等等引力巨大的天體附近經過,仿佛經過凸透鏡一樣的發生彎曲。範錫龍表示,他們可以把恆星、暗物質等等「透鏡體」看成衍射障礙物,於引力透鏡效應中,如果引力波的波長小於透鏡體時,引力波可以由幾何近似描述;如果引力波的波長與透鏡體大小相當時,引力波可以由波動近似描述;如果引力波的波長遠大於透鏡體時,透鏡體不會產生任何影響,引力波會直接穿過透鏡體。也就是說,利用引力透鏡效應,他們就可以驗證引力波的波動性。

高速旋轉的非球對稱中子星會一直輻射準單色引力波,大約幾個月至幾年的時間裡,地球上的引力波探測器會探測到連續的引力波衍射、或幹涉的空間條紋。據範錫龍介紹,非球對稱中子星輻射的準單色引力波較為穩定,所以,其產生的幹涉和衍射條紋也比較均衡,加之幹涉、衍射振幅變化的時間尺度非常大,遠超地球的自轉對應的時間尺度,他們可以輕而易舉的區分二者。

銀河系中的中子星大約有10億顆,當某一顆中子星與透鏡體、地球處於一條直線上,就會發生引力透鏡效應,依據現今的銀河系模型來估算,這一概率為1/100至1/10000之間。範錫龍表示,只要研究團隊發現的中子星足夠多,就可以探測到引力透鏡效應,不過,他們並不清楚一般中子星的橢率究竟有多大,這一不確定因素可能會影響到他們的整個研究工作。

小考題:你是否了解愛因斯坦的一些奇聞異事呢?愛因斯坦是不是20世紀最偉大的科學家呢?歡迎你留言討論。

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