本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
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。
圖源：維基共享用戶Sakurambo基於託馬斯楊1803年提交給皇室的作品。
開始很簡單：物質是由粒子構成的，比如原子和它們的組成部分，而輻射由波構成。你可以說物質是粒子因為它會和其他粒子碰撞，彈開，粘在一起，交換能量，被束縛等等。你也可以說物質是波因為它可以和自己繞射並相互幹擾。牛頓對光的看法有誤，他認為光是由粒子構成的，但其他人，例如惠更斯（和他同時代）、十九世紀早期的科學家楊、菲涅爾最後都表明如果沒有波的存在，無法解釋光的屬性。最充分的證明是當你把它穿過一個雙縫時：背景屏幕展示出的圖像表明光既進行了建設性的幹涉（出現亮斑），也發生了決定性的幹涉（導致黑點）。
圖源:維基共享用戶Tonomura博士和Belsazar。注意當粒子足夠多時，即使它們一次通過一個雙縫，幹涉圖像也會清晰可見。
這種幹涉是波的獨特產物，由此也「證明」了光是波。但在二十世紀初，隨著光電效應的發現，這點便更加迷惑。當你用光照射某種特定物質時，有時電子會被光「踢開」。如果你讓光更紅（因此能量更低）——即使任意強度的光——也不會激發電子。但如果你讓光更藍（因此能量更高），即使強度很低，也仍然會激發電子。不久後，我們發現光被量子化為光子，甚至個別光子可以像粒子一樣運動，如果光有合適的能量，電子便會電離。
圖源：維基共享用戶Klaus-Dieter Keller創造了該矢量圖。注意當能量低於某一閾值時，看不到電離，一但超過了這個閾值，電離便開始了，光子能量越大，電離速度越快。
20世紀，更奇怪的知識出現了，我們發現:
·當你讓光子單獨的穿過雙縫時，它們仍然會相互幹涉，產生和波本質相符合的圖像。
·被認為是粒子的電子也類似的表現出這種幹涉和衍射的圖案。
·如果你測量某個光子或電子通過哪個狹縫時，並不能得到圖案，但如果你不測量它，便會得到圖案。
這就好像是每個我們觀測到的粒子都可描述為波和粒子。此外，量子物理告訴我們需要在適當的情況下同時對待它們，否則便不會得到與實驗一致的結果。
圖源：B. P. Abbott et al. (LIGO科學合作和Virgo合作), 通過物理預告快報116, 061102 (2016)。
現在我們來談引力波。它是獨特的，因為我們只看到了它們的波狀部分而不是基於粒子的部分。然而，就像水波的波由粒子構成一樣，我們完全相信引力波是由粒子構成的。只不過那些是引力子（相較於水分子而言），它們是調節引力的粒子，也完全相信它們可以作為引力本質上是量子力的結果而出現。
圖源：Dave Whyte《蜜蜂與炸彈》
因為這是一個波，因為這個波的行為表現和廣義相對論預測的一樣，包括：
·在旋進相階段，
·在合併相階段，
·在振鈴相階段，
我們可以很有把握地推斷，它將持續做廣義相對論預測的所有類似波會做的事情。與我們過去認為的波在細節上有些不同：它們不是水波一樣的標量波，也不是光那樣的失量波，它們有同相的、振蕩的電場和磁場。相反，它們是張量波，在經過那片區域時會造成空間收縮和垂直方向上的稀薄。
從任何類型的波來看，這些波會做很多相同的事，包括它們通過中介以一個特定的速度傳播（光速，通過太空本身結構），它們在太空裡和其他波發生決定性地、建設性地幹涉，這些「凌駕」於其它時空曲率之上的波也已經存在，如果有什麼其他方式能讓這些波發生衍射——也許在黑洞極強的引力源作用下會發生——它們就會這樣做。此外，隨著宇宙膨脹，我們知道這些波會做所有膨脹宇宙裡的波會做的事：隨著宇宙背景空間膨脹，它們也會拉伸和膨脹。
圖源:E. Siegel,來自書《超越銀行系》。
所以真正的問題是，我們怎樣測試它的量子部分？我們怎樣尋找一個引力波中的「粒子」性質？理論上講，引力波和早期圖像相似，顯示了由許多四處遊蕩的粒子產生的表現波：那些粒子就是引力子，而雷射幹涉引力波天文臺觀測到的是整個波。我們有充足的理由相信我們手上的一系列引力子，是：
·自旋2-粒子，
·無質量，
·以光速傳播，
·僅僅通過引力相互作用。
雷射幹涉引力波天文臺對第二個約束條件——無質量——是極其好的：如果引力子有質量，也是小於1.6 x 10^-22 eV/c^2，或是比電子輕約10^28倍。但在我們找到用引力波測試量子引力的方法之前，我們仍不知道波粒二象性中的「粒子」部分是否適用於引力子。
事實上我們有許多機會，儘管雷射幹涉引力波天文臺不太可能實現其中任何一個。你看，量子引力效應是最強最明顯的，哪怕當你在非常小的距離也有強大的引力場存在。還有什麼比黑洞合併更好的探測方法呢？當兩個奇點合併在一起時，這些量子效應——應當是偏離廣義相對論的——將會在合併那一刻出現，就在（旋進結束）相之前和（振鈴開始）相之後。實際上，我們在探測皮秒級而不是雷射幹涉引力波天文臺敏感的微妙-毫秒級，但這是不可能的。我們開發出了能在飛秒甚至阿秒時間範圍內工作的雷射脈衝，可以想像如果我們有足夠的幹涉儀同時工作，便可對微小的偏離相對論現象敏感。這需要科技上的巨大飛躍，包括大量幹涉儀，還要顯著降噪和提高敏感度。但技術上不是不可能：這僅是技術上的困難！
為了獲得更多信息，我做了一個關於引力波，雷射幹涉引力波天文臺以及我們從中所學知識的直播，是和密西根大學的天文學家在線交談的。
可能你們會對最後一個問題特別感興趣，關於我們如何測試引力子的粒子性質，這將完善我們對宇宙中波粒二象性的認識。希望這是真的，但我們不能肯定。希望好奇心能引領我們投於其中，大自然能與我們合作，最後找到答案！
作者: Ethan Siegel
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處