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。到目前為止，科學家對於引力波的探測都只局限在其「波」的特性，組成引力波的粒子——引力子真實存在嗎？我們要如何探測探測引力波的「粒子」特性呢？

撰文 | Ethan Siegel

翻譯 | Pink Seirios

2016年2月，LIGO 發表了一項聲明，徹底改變了人們對宇宙的圖像：在10多億光年之外，兩顆質量分別為36和29個太陽質量的巨大黑洞相互旋進併合。這次併合事件的結果是產生了一個62個太陽質量的黑洞，根據愛因斯坦質能方程 E = mc2，剩下的3個太陽質量轉化為純粹的能量，以引力波的形式在整個宇宙中蕩漾。

自那之後，LIGO 探測到的引力波信號數量已經上升到兩位數，引力波如今也已經極大地加深了我們對宇宙的認識。然而，所有這些仍然只是根據廣義相對論這一經典的引力理論得出的關於宇宙的信息。如果量子物理學是正確的，那麼即便是對於引力波，波粒二象性也是真實存在的。接下來我們討論這到底意味著什麼。

在廣義相對論關於彎曲時空的圖像中，物質與能量決定了系統如何隨時間演化。廣義相對論做出了其他理論無法匹敵的成功預測，包括預言時空漣漪引力波的存在與性質。如果量子理論是正確的，這種時空的漣漪必然有其粒子對應物，因為波粒二象性必然適用於所有量子對象。| 圖片來源：LIGO

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波粒二象性

毫不誇張地說，波粒二象性是迄今發現的最奇特的量子現象之一。它的起源很簡單：物質由原子及其組成部分之類的粒子構成，而輻射由波形成。我們可以辨認出一個東西是粒子，因為粒子之間會發生種種行為，比如碰撞並反彈、粘在一起、交換能量、被束縛在一起等等。

類似地，我們可以發現一個東西是波，是因為波會發生衍射和幹涉。牛頓認為光是由粒子構成的，但與他同時代的惠更斯以及19世紀早期的科學家，如託馬斯·楊和菲涅耳等人都明確地表明，光表現出一些特性，如果不將其看作是波，就無法解釋。

當我們讓光通過雙縫時，最明顯的現象就出現了：背景屏幕上顯示的圖案表明，光既會發生相長幹涉，形成明亮的條紋，也會發生相消幹涉，形成暗淡的條紋。

這張圖可以追溯到19世紀早期託馬斯·楊的工作，它是展示源自A、B兩個點的波會發生相長幹涉和相消幹涉的最古老的圖像之一，這個裝置與雙縫實驗的裝置在物理上是等同的。| 圖片來源：WIKIMEDIA COMMONS USER SAKURAMBO

這種幹涉現象是波的獨特產物。雙縫實驗，以及隨後更為複雜的類似實驗，證實了光是一種波。但在20世紀初，隨著光電效應的發現，這一點變得更加令人困惑：

當光照射在特定的材料上時，有時候會「激發出」電子。如果我們用頻率更低（因而能量更低）的光來照射，那麼無論光的強度有多大，都無法激發出任何電子。但是如果用頻率更高（因而能量更高）的光照射，那麼即便是將光的強度降到很低很低，仍然會激發出電子。不久之後，科學家發現，光是由量子化的一個個光子組成，單個的光子可以表現得像粒子一樣，如果具有合適的能量，就能讓電子電離出去。

這張圖表示的是隨著光子能量（頻率）的變化，束縛在鋅原子中的電子能量的變化。可以看到，當光子能量低於一個特定的數值時，就不會從鋅原子中激發出任何電子，這與光的強度無關。然而，在一個特定的能量閾值以上（即足夠短的波長），光子總會激發出電子。隨著光子能量持續增加，發射出的電子的速度會越來越快。| 圖片來源：WIKIMEDIA COMMONS USER KLAUS-DIETER KELLER, CREATED WITH INKSCAPE

在20世紀，科學家發現了更為奇特的現象：

當單個光子一次一個地通過雙縫時，它們仍然會與自身發生幹涉，產生與波的特性一致的圖樣。

被認為是粒子的電子也會展現出這種幹涉和衍射圖樣。

如果測量光子或電子通過的是哪條縫，就不會得到幹涉圖樣；但如果不測量它，就可以得到幹涉圖樣。

我們曾經觀察到的每一個粒子似乎都可以被描述為既是波又是粒子。而且量子物理學告訴我們，在適當的情況下，我們需要將它們既看作是波，又看作是粒子，否則就無法得到與實驗一致的結果。

電子一次一個地通過雙縫而形成的波。如果測量電子通過的是「哪條縫」，就會破壞這種量子幹涉圖樣。這個實驗需要一些複雜的設備，但有很多方法可以讓我們在家裡也能看見量子宇宙的效應，而且對光子和電子都一樣有效。| 圖片來源：DR. TONOMURA AND BELSAZAR OF WIKIMEDIA COMMONS

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引力波的波粒二象性？

好了，我們終於可以考慮引力波了。就物理學而言，引力波頗為獨特，因為我們只看到了它們波的部分，卻從來沒有看到粒子的部分。

LIGO團隊探測到的第一對併合黑洞的引力波信號。原始數據與理論模版的匹配程度好得令人難以置信，並清楚表現出一種類似于波的模式。| 圖片來源：B. P. ABBOTT ET AL. (LIGO SCIENTIFIC COLLABORATION AND VIRGO COLLABORATION)

然而，正如水波是由粒子構成的波，我們預期引力波同樣是由粒子構成的。這些粒子應該是所謂的引力子，而不是水分子。在量子引力理論的框架下，引力子傳遞引力。引力是自然界固有的一種量子相互作用，我們預期引力子作為引力的結果出現，而引力波應該由引力子構成。

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沿著環形路徑運動的一系列粒子可以產生一種錯覺，使得它們看起來就像是宏觀的波。與此類似，以特定模式運動的單個水分子可以產生宏觀的水波，而我們所看到的引力波很可能是由組成它們的單個量子粒子（引力子）構成的。| 圖片來源：DAVE WHYTE OF BEES & BOMBS

引力波與我們所熟知的其他波在細節上略有不同：引力波不是像水波那樣的標量波，甚至也不是像光那樣的矢量波，具有振蕩的電場和磁場。引力波是張量波，當引力波經過空間中的一個區域時，會導致空間在兩個垂直方向上收縮和拉伸。

儘管如此，因為引力波是一種波，而且科學家觀測到這種波的行為與廣義相對論預測的完全一樣，這包括：

* 在旋進階段（inspiral phase）

* 在併合階段（merger phase）

* 在鈴宕階段（ringdown phase）

因此，我們可以有把握地推斷，引力波也會表現出廣義相對論所預言的所有類似于波的行為。

引力波的模擬動畫

引力波具有許多和其他任何波相同的行為，這包括

* 在介質中以特定的速度傳播（對於引力波，是在時空的結構中以光速傳播）；

* 與空間中的其他漣漪發生相長和相消幹涉；

* 這些波會「駕乘」在其他無論什麼業已出現的時空曲率結構上；

* 如果有什麼方法——或許是圍繞黑洞這樣的強大的引力源——可以使引力波發生衍射，它們就會發生衍射。

此外，隨著宇宙膨脹，引力波也會表現出所有波在一個膨脹的宇宙中會表現出的行為：隨著宇宙背景空間的膨脹而拉伸和膨脹。

隨著宇宙結構的膨脹，任何輻射的波長都會被拉長（並失去能量）。對於電磁波是如此，對於引力波也是這樣。| 圖片來源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

3

如何尋找引力波的「粒子」性？

所以真正的問題是，我們如何探測量子的部分？如何尋找引力波的「粒子」特性？

從理論上來說，引力波也類似於水分子形成水波的情況，許多粒子四處運動，從而表現為一種波。不過這些粒子是引力子，而整體表現出來的波就是LIGO探測到的引力波。假如確實存在引力子，那麼它們應該滿足一些條件：

* 自旋為2的粒子，

* 沒有質量，

* 以光速傳播，

* 只通過引力相互作用。

LIGO 的信號對第二個條件（也就是沒有質量）限制得非常好：如果引力子確實有質量，那應該低於1.6 x 10-22eV/c2，或者說比電子質量輕大約1028倍。但在找到一種方法用引力波檢測量子引力之前，我們不知道波粒二象性中的「粒子」部分是否適用於引力子。

一對碰撞的黑洞周圍的彎曲時空

事實上，由於LIGO自身精度的限制，並不太可能觀測到量子引力效應，但確實存在幾種可能的觀測機會。我們知道，當很強的引力場在非常小的距離上作用時，量子引力效應是最強、最明顯的。除了併合的黑洞，還有什麼更好的工具有可能探測這種狀態呢？

當兩個奇點併合在一起時，這些量子效應——應該是與廣義相對論相背離的——將出現在併合的時刻，以及旋進階段的末尾和鈴宕階段的開始。實際上，這時我們是在研究探測皮秒（10-12s）量級，而不是LIGO能夠靈敏探測的微秒到毫秒（10-6~10-3s）量級，但這或許是有可能實現的。

對於一個低功率的雷射脈衝，我們可以拉伸它，降低它的功率，然後在不破壞放大器的情況下放大它，接著再次壓縮它，從而創造出一個更高功率、更短周期的脈衝。在最近幾年，我們已經從飛秒（10-15s）雷射過渡到了阿秒（10-18s）雷射物理學。| 圖片來源：JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES

我們已經開發出了在飛秒（10-15s）甚至阿秒（10-18s）的時間範圍內工作的雷射脈衝，因此可以想像，如果我們有足夠的幹涉儀同時工作，就可能對相對論的微小偏離保持靈敏。這將需要技術上的巨大飛躍，包括大量幹涉儀，以及顯著降低噪音和提高靈敏度。但這在技術上並非不可能，只是有困難罷了！

脈衝星是快速旋轉的中子星，它們以非常精確的時間周期發射規則的射電脈衝。引力波會導致脈衝的抵達時間發生微小的變化，通過監測多個脈衝星組成的脈衝星時序陣列，可以探測和分析引力波。這張圖顯示，當時空受到引力波擾動時，需要多少個脈衝星才能夠探測到引力波信號。與此類似，一個足夠精確的雷射陣列原則上可以探測引力波的量子性質。| 圖片來源：DAVID CHAMPION / MAX PLANCK INSTITUTE FOR RADIO ASTRONOMY

儘管我們有充分的理由相信，引力波只是電磁波的量子類似物，但與光子不同的是，我們在技術上還遠遠不能直接探測引力波的組成粒子——引力子。

理論物理學家仍在計算應該出現的獨特量子效應，他們與實驗物理學家一起，設計對於量子引力的測試。與此同時，引力波天文學家仍然在困惑，未來一代探測器要如何揭示引力波的量子性質。

儘管我們預期引力波會表現出波粒二象性，但在探測到之前，我們還不能確定。我們只能希望好奇心會驅使我們投入其中，希望大自然與人類合作，希望有一天我們能找到答案。

本文經作者 Ethan Siegel 授權翻譯自博客「Starts With A Bang」，略有改動。原文標題為「Can We Test Gravitational Waves For Wave-Particle Duality?」。

來源：返樸

編輯：奶蓋四季青