引力波來自於廣義相對論，但卻可能揭示世界的量子本質

2020-08-10 天文在線

引力波會揭示現實世界的量子本質

圖源：NASA/索諾馬州立大學

愛因斯坦的廣義相對論——這個關於引力的理論認為時空的結構會被物質和能量的存在所彎曲——所預言的一種現象就是引力波現象：宇宙中加速運動的質量體會通過宇宙的結構本身向四周傳播「漣漪」。但愛因斯坦對於引力的概念仍是基於傳統時空觀的，因為：空間和時間仍然是連續的，而不是離散的；在非常細微的尺度下或者是在非常大的場中，理論所預言的結果會變得非常荒謬；並且不能計算具有量子本質的系統的引力場，例如雙縫實驗中的電子。

我們完全相信，一定程度上引力具有量子的本質，雖然目前我們還沒有任何實驗證據能夠證明它。但通過最近LIGO對引力波的直接觀測，讓我們第一次有了理由相信這種引力波就是揭示引力的量子本質的關鍵。接下來講的就是我們如何證明它。

任何處在引力場中的質量體在加速時都會產生引力波，引力波是一種能量的傳遞形式，以光速向周圍傳播。理論提出的六十年後，人們才第一次觀測到引力波存在的間接證據，因為這要求異常強大的引力場——例如多個質量非常大、距離彼此非常近的物體作加速運動——才能使天體的運動產生足夠明顯的變化。但最小的、質量最大的、最緻密的天體是黑洞和中子星，它們一向被認為是極難觀測的，因為它們幾乎完全不發光！

好在，有一類中子星——脈衝星——事實上是可見的。因為當脈衝星自轉時，從它的兩極會發出電磁波。這種現象實際上是宇宙中最精確的鐘表之一，但如果這顆脈衝星恰好位於另外一顆坍縮天體的附近（一顆中子星或一個黑洞），它的軌道會逐漸衰減，因為能量會通過引力波的形式散播出去

圖：當兩個中子星圍繞著系統質心旋轉時，會向外釋放引力波（左圖）。因此這使兩者持續損失一部分能量，所以它們以一種螺旋形的軌道逐漸接近彼此，軌道周期也逐漸縮短。右圖的圖表展示了這種情況。 圖源：NASA

這種引力波存在的間接證據在上世紀七八十年代被第一次觀測到，而且軌道的衰減規律與廣義相對論所預言的結果精確地吻合。但是上月LIGO的發現才是真正、直接地證明了引力波現象的存在。兩個黑洞在13億光年外合併，等同於三個太陽質量的能量被轉化，通過引力波的形式以光速向外傳播，橫跨整個宇宙。引力波到達了位於華盛頓和路易斯安那的兩個LIGO探測器，使得射線的路徑偏離了百分之一的質子直徑大小。這次對這種信號的直接捕捉清晰地向我們展示了引力波的存在，如漣漪一般在宇宙中傳播。

圖：對兩個黑洞合併的引力波探測結果

如果要通過量子理論來解釋廣義相對論，那麼引力波是由數量眾多的微觀粒子組成的——這種粒子稱為引力子——就像光是由光子組成的一樣。我們目前還未掌握直接從中探測引力子的方法，但是還有另外一種具有量子本質的現象能夠產生引力波：就是在宇宙剛剛形成時的暴脹。在大爆炸中，宇宙在以指數形式膨脹的同時，量子擾動在整個宇宙中傳播和延展，包括在在引力場中的擾動。這些擾動中的一部分（標量波動）導致宇宙中形成物質更緻密或欠緻密的地區，這些地區之後便形成了星系、星系群、星團等等，還有一部分（張量波動）導致了引力波的形成。

圖源：NASA、JPL、Keck Foundation, Moore Foundation等

這些波動與宇宙中的光子以一種特殊的方式相互作用，使它們的光發生偏振（光子極化）從而理論上能被探測到。事實上，如果來自宇宙膨脹的引力波的幅值達到一定程度，這種極化的信號可以從大爆炸的殘餘影響中探測到——就是宇宙背景輻射——這種影響可能會在之後20年中探測到。

圖：BICEP2望遠鏡探測到的信號

在LIGO發現引力波的幾年前，一些研究者根據BICEP2望遠鏡探測到的信號聲稱探測到了引力波，但之後被更新更充分的證據推翻了。但除了BICEPS2望遠鏡，還有很多正在進行或者將要進行的實驗，並且所用設備的靈敏度最大可達BICEP2的100倍。如果它們能夠發現真正的由宇宙膨脹所形成的引力波，這就會和LIGO看到的有很大的不同，因為這種引力波在源頭上時是具有量子的性質的，無法僅僅通過廣義相對論來解釋。這就是很多實驗項目像BICEP2、POLARBEAR、SPTPOL和SPIDER目前正在做的。

圖源：普朗克科學研究組

對這種現象的預言可能會失敗，如果膨脹所產生的引力波幅值太小的話。但也有可能成功，並且如果成功的話，這就會成為我們不斷探尋的終極引力波：它在源頭上具有量子的本質，而且證明了引力最終也可以被納入量子物理學的理論框架。我們衷心期望能夠建立一種基於量子物理學的、關於引力本質的理論，與此同時，找到這方面的證據也能大大推進理論的發展。LIGO不能幫助我們達到這個目標，但它展現了引力波的存在，而引力波很可能就是我們所需要的統一引力的最後一塊拼圖。


FY: 潔斯凱烈焰天下第一

作者：Ethan Siegel

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