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天文|激光干涉引力波天文台能探测量子引力吗？


物理学的两朵“乌云”实际上会是一朵吗？
天文|激光干涉引力波天文台能探测量子引力吗？
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图片来源：SXS, 模拟极限时空项目
Tl;dr: 不太可能 ， 但也并非绝无可能 。
爱因斯坦的广义相对论预言质量加速发出引力波 。 在做出这个预言的一个世纪后 ， 激光干涉引力波天文台团队宣布他们首次直接探测到引力波 。 但这只是一个开始—我们期待更多的发现 ， 这些将以前所未有的准确度验证爱因斯坦的理论 。 这 ， 如果有的话 ， 对科学家为寻找量子引力的理论—仍缺失的广义相对论和量子力学的组合—而付出的努力来说意味着什么？
天文|激光干涉引力波天文台能探测量子引力吗？
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图片来源：T.派尔/加州理工/麻省理工/激光干涉引力波天文台 实验室

广义相对论是未被量子化的理论 ， 引力波也被预言独立于找到一致的量子版本的引力的尝试 。 引力波的存在因此可以不需要用量子引力来解释 。 然而 ， 普遍预期认为量子引力导致了量子化的引力波—“引力子” 。 引力子是与引力波相关的粒子 ， 如同与电磁波相关的光子—粒子是能量与波的频率成正比的一小块波 。 波自身的性质在广义相对论的背景下给了我们有关量子版本的引力粒子的各种各样有用的信息：它必须无质量 ， 自旋必定是2（相对于自旋为1的光子 ， 1/2的电子以及0的希格斯玻色子） ， 它还必须以光速传播 。
【天文|激光干涉引力波天文台能探测量子引力吗？】
引力波由大量引力子组成 ， 但测量个体构成极其困难且远远超出我们的实验能力 。 激光干涉引力波天文台出于和电视天线无法分辨单一光子同样的原因不能分辨单一引力子：如果有一个信号 ， 探测器会被粒子淹没 ， 对微小离散的能量级也不敏感 。 如果引力子存在 ， 激光干涉引力波天文台探测它们 ， 但它不能从未量子化的引力波中区分大量的引力子 。 因此 ， 激光干涉引力波天文台不能告诉我们任何关于是否引力子存在的事 。

至于它是否能告诉我们一些关于量子引力的事 ， 我不能肯定地答复你 ， 因为我们还没有量子引力论 。 所以这个问题的答案取决于你相信关于量子引力我们了解多少 。

几乎所有人都同意的是量子引力效应在时空曲率强的区域应该会变大 。 但在量子引力界 ， “强曲率”是指靠近黑洞中心的曲率 ， 而不是视界上相对较弱的曲率 。 黑洞合并 ， 诸如激光干涉引力波天文台看到的那次 ， 没有探测黑洞中心发生了什么 ， 因此没有测试强量子引力效应 。
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图片来源：加州理工/麻省理工/激光干涉引力波天文台实验室 ， 两个激光干涉引力波天文台探测器发现的首个引力波信号 。

然而有理论依据的争论表明 ， 黑洞视界附近的量子引力效应可能并不小 ， 尽管这样的看法还有待讨论 。 类似黑洞毛球 ， 火墙或者黑洞毛发的想法影响了黑洞视界 。 在这些情景下量子引力伏动能在发射光谱上留下印记 ， 这可以用激光干涉引力波天文台和其他即将到来的引力波实验探寻 。

在arXiv的一篇短文中 ， 来自加州大学圣塔芭芭拉分校的史蒂夫·吉丁斯在这个问题上提供了一些综合的考量 。 他论述道来自常规黑洞几何的视界范围内的偏差导致的引力波信号应该通常不太常规且比广义相对论预测的能量更高 。 我确信定量的预测会紧随其后 ， 现在数据正在录入 。

更通俗来说 ， 任何从广义相对论出发的偏离都能赋予我们如何量子化引力的启示 。 并且由于引力波探测了我们以前根本无法访问的领域 ， 因此这些测量有望揭示新真相 ， 给我们带来新见解 。

黑洞合并的动态以及引力波传播的方式对哪怕是跟广义相对论最小的偏差都十分敏感 ， 比如说对等效定律的违背或者引力子不完全无质量的可能性 。 双重重力 ， 广义相对论的更高阶修正 ， 额外的长距互动 ， 或者引力以太—所有这些模型现在将需要通过额外的测试 。 不容置疑的是 ， 一些将成为胜者（最有可能的是与相对论的预言之间的不一致小到可以排除） ， 一些将会是败者 。 也许其中之一将取代爱因斯坦的杰作 。

除了黑洞融合以外 ， 激光干涉引力波天文台可能探测来自奇怪源头的不符合标准理论的信号 ， 比如宇宙弦 。 宇宙弦是稳定 ， 宏观 ， 能量密度高的一维物体 ， 在早期宇宙中可能就已经被创造且直到今天依然存在 。
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图片来源：安德烈·克拉夫佐夫（宇宙学模拟 ， 左侧）；B.艾伦和E.P. 谢拉德（在宇宙弦宇宙中的模拟 ， 右侧） 。


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