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引力波探測,一種證明量子理論的方式


天文在線愛因斯坦廣義相對論最古老的預言之一——引力理論認為,時空是一個因物質和能量的存在而彎曲和彎曲的結構——是宇宙中加速的質量在空間結構中...

- 2021年2月24日14時14分
- 科學文摘 / 天文在線

天文在線

愛因斯坦廣義相對論最古老的預言之一——引力理論認為,時空是一個因物質和能量的存在而彎曲和彎曲的結構——是宇宙中加速的質量在空間結構中產生漣漪:引力波。但是愛因斯坦關於重力的概念仍舊是經典的,如:

圖片來源:NASA/索諾馬州立大學/奧羅拉 西蒙內。

空間和時間是連續的實體,而不是離散的實體,


該理論的預測在非常小的距離和存在非常大的磁場時就會失效(給出無意義的答案),

而且對於固有的量子系統,比如電子遇到雙縫,是沒有辦法計算引力場的。

我們完全有理由相信在某種程度上,引力將證實相對論中的量子理論,儘管我們還沒有任何實驗證據證明這一點。但隨著LIGO對引力波的直接探測,我們有充分的理由相信,這些引力波的存在是證明——第一次證明——引力確實是一種本質上的量子力的關鍵。下面是我們的方法:

任何在引力場存在下加速的物質都會產生引力波,引力波是以光速在空間中傳播的一種能量形式。六十年後,第一個間接證明引力波存在的證據出現了,因為它需要非常強大的引力場——非常大的質量以非常短的距離彼此加速——才能在天體物理物體的行為中產生顯著的變化。但最小、質量最高、最緻密的天體是黑洞和中子星,它們由於幾乎不發光而臭名昭著地難以觀測!

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幸運的是,有一類中子星——脈衝星——實際上是可見的,這要歸功於它在旋轉時從兩極發出的無線電波。這些通常是宇宙中最完美的時鐘,但如果其中一個恰好在另一個坍縮物體(中子星或黑洞)的軌道上,它的軌道將會衰變,因為能量會以引力波的形式被帶走。


圖片來源:NASA(L),馬克斯·普朗克射電天文研究所/麥可·克雷默,

這種間接探測引力波的方法是在20世紀70年代和80年代首次提出的,軌道衰變與廣義相對論的預測完全吻合。但上個月LIGO的聲明才真正、毫不含糊地證實了這種相對論現象。當兩個相距13億光年的黑洞合併在一起時,相當於三個太陽質量的巨大物質轉化成了引力波的能量。他們以光速穿越宇宙,由位於華盛頓和路易斯安那州的兩個LIGO探測器捕獲,探測器交替地將雷射的路徑壓縮和拉伸了不到百分之一的質子。對這些信號的直接探測清楚地告訴我們,引力波確實在宇宙中傳播。

圖片來源:從一個雙星黑洞合併B. P. Abbott等觀測引力波,(LIGO科學合作和室女座合作),物理評論116,061102(2016)。

在這個引力波理論的量子版本中,引力波實際上是由大量的量子粒子——引力子——組成的,就像我們看到的光是由光子形式的量子粒子組成的一樣。雖然我們還不知道如何直接探測引力子粒子,還有另一個合適的時間和地點產生引力波的起源在本質上完全是量子:從宇宙的時代被稱為宇宙膨脹,前一段時間就熱大爆炸。當空間以指數級膨脹時,宇宙中所有量子的漲落就會延伸到整個宇宙,包括引力場的漲落。當一些波動(標量波動)導致空間的密度過高和密度過低的區域,隨著時間的推移,這些區域會發展成星系、群體和星團,而另一類波動(張量波動)導致引力波的產生。

圖片來源:美國國家科學基金會(NASA, JPL,凱克基金會,摩爾基金會,相關)資助的BICEP2項目。

這些波動與宇宙中的光子以一種非常特殊的方式相互作用,使它們的光以一種原則上可以檢測到的方式極化。事實上,如果來自膨脹的引力波超過某個量級,在未來某個時間點,這種極化信號將在大爆炸的餘輝(宇宙微波背景)中被探測到。


圖片來源:BICEP2協作圖。

BICEP2過去曾宣稱能探測到這些波,但隨後的改進證據推翻了這一說法。但是現在和將來有大量的實驗應該比BICEP2靈敏100倍。如果這些引力波從膨脹中產生一個正信號,這將與LIGO看到的引力波非常不同,因為這些引力波的起源是量子的;它們無法僅通過經典廣義相對論產生。這就是BICEP2、POLARBEAR、SPTPOL和SPIDER等實驗正在努力測量的結果。

如果各種膨脹產生的引力波的幅度太小,這種預測可能會失敗。但它也有可能成功,如果成功了,它將是終極的引力波信號:一個從本質上講是量子的信號,一個證明了引力終究是一個量子理論的信號。雖然我們都希望找到一個真正的量子,更基礎的萬有引力理論,但找到證明萬有引力實際上是一個基本的量子力的證據本身就是一個巨大的飛躍。LIGO不會是把我們帶到那裡的一個設備,但它向我們展示的現象是真實的——引力波——很可能是讓它走到一起的一塊缺失的拼圖。

作者: Ethan Siegel Senior Contributor

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