本质|引力波来自于广义相对论，但却可能揭示世界的量子本质广义相对论|量子|本质|揭示|来

引力波会揭示现实世界的量子本质

文章图片

图源：NASA/索诺马州立大学
爱因斯坦的广义相对论——这个关于引力的理论认为时空的结构会被物质和能量的存在所弯曲——所预言的一种现象就是引力波现象：宇宙中加速运动的质量体会通过宇宙的结构本身向四周传播“涟漪”。但爱因斯坦对于引力的概念仍是基于传统时空观的，因为：空间和时间仍然是连续的，而不是离散的；在非常细微的尺度下或者是在非常大的场中，理论所预言的结果会变得非常荒谬；并且不能计算具有量子本质的系统的引力场，例如双缝实验中的电子。
我们完全相信，一定程度上引力具有量子的本质，虽然目前我们还没有任何实验证据能够证明它。但通过最近LIGO对引力波的直接观测，让我们第一次有了理由相信这种引力波就是揭示引力的量子本质的关键。接下来讲的就是我们如何证明它。
任何处在引力场中的质量体在加速时都会产生引力波，引力波是一种能量的传递形式，以光速向周围传播。理论提出的六十年后，人们才第一次观测到引力波存在的间接证据，因为这要求异常强大的引力场——例如多个质量非常大、距离彼此非常近的物体作加速运动——才能使天体的运动产生足够明显的变化。但最小的、质量最大的、最致密的天体是黑洞和中子星，它们一向被认为是极难观测的，因为它们几乎完全不发光！
好在，有一类中子星——脉冲星——事实上是可见的。因为当脉冲星自转时，从它的两极会发出电磁波。这种现象实际上是宇宙中最精确的钟表之一，但如果这颗脉冲星恰好位于另外一颗坍缩天体的附近（一颗中子星或一个黑洞），它的轨道会逐渐衰减，因为能量会通过引力波的形式散播出去

文章图片

图：当两个中子星围绕着系统质心旋转时，会向外释放引力波（左图）。因此这使两者持续损失一部分能量，所以它们以一种螺旋形的轨道逐渐接近彼此，轨道周期也逐渐缩短。右图的图表展示了这种情况。图源：NASA
这种引力波存在的间接证据在上世纪七八十年代被第一次观测到，而且轨道的衰减规律与广义相对论所预言的结果精确地吻合。但是上月LIGO的发现才是真正、直接地证明了引力波现象的存在。两个黑洞在13亿光年外合并，等同于三个太阳质量的能量被转化，通过引力波的形式以光速向外传播，横跨整个宇宙。引力波到达了位于华盛顿和路易斯安那的两个LIGO探测器，使得射线的路径偏离了百分之一的质子直径大小。这次对这种信号的直接捕捉清晰地向我们展示了引力波的存在，如涟漪一般在宇宙中传播。

文章图片

图：对两个黑洞合并的引力波探测结果
如果要通过量子理论来解释广义相对论，那么引力波是由数量众多的微观粒子组成的——这种粒子称为引力子——就像光是由光子组成的一样。我们目前还未掌握直接从中探测引力子的方法，但是还有另外一种具有量子本质的现象能够产生引力波：就是在宇宙刚刚形成时的暴胀。在大爆炸中，宇宙在以指数形式膨胀的同时，量子扰动在整个宇宙中传播和延展，包括在在引力场中的扰动。这些扰动中的一部分（标量波动）导致宇宙中形成物质更致密或欠致密的地区，这些地区之后便形成了星系、星系群、星团等等，还有一部分（张量波动）导致了引力波的形成。

文章图片

图源：NASA、JPL、Keck Foundation, Moore Foundation等
这些波动与宇宙中的光子以一种特殊的方式相互作用，使它们的光发生偏振（光子极化）从而理论上能被探测到。事实上，如果来自宇宙膨胀的引力波的幅值达到一定程度，这种极化的信号可以从大爆炸的残余影响中探测到——就是宇宙背景辐射——这种影响可能会在之后20年中探测到。

文章图片

图：BICEP2望远镜探测到的信号
在LIGO发现引力波的几年前，一些研究者根据BICEP2望远镜探测到的信号声称探测到了引力波，但之后被更新更充分的证据推翻了。但除了BICEPS2望远镜，还有很多正在进行或者将要进行的实验，并且所用设备的灵敏度最大可达BICEP2的100倍。如果它们能够发现真正的由宇宙膨胀所形成的引力波，这就会和LIGO看到的有很大的不同，因为这种引力波在源头上时是具有量子的性质的，无法仅仅通过广义相对论来解释。这就是很多实验项目像BICEP2、POLARBEAR、SPTPOL和SPIDER目前正在做的。

文章图片

图源：普朗克科学研究组
对这种现象的预言可能会失败，如果膨胀所产生的引力波幅值太小的话。但也有可能成功，并且如果成功的话，这就会成为我们不断探寻的终极引力波：它在源头上具有量子的本质，而且证明了引力最终也可以被纳入量子物理学的理论框架。我们衷心期望能够建立一种基于量子物理学的、关于引力本质的理论，与此同时，找到这方面的证据也能大大推进理论的发展。LIGO不能帮助我们达到这个目标，但它展现了引力波的存在，而引力波很可能就是我们所需要的统一引力的最后一块拼图。
FY: 洁斯凯烈焰天下第一
作者：Ethan Siegel
如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除
【本质|引力波来自于广义相对论，但却可能揭示世界的量子本质】转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处