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#新浪科技#假想的“引力子”是否真的存在？科学家想通过量子噪声寻找新浪科技2020-09-01 10:19:500阅

#新浪科技#假想的“引力子”是否真的存在？科学家想通过量子噪声寻找新浪科技2020-09-01 10:19:500阅
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图1/5如果引力真的遵循量子力学的规则 ， 那么被称为“引力子”的粒子就会与常规物质不断碰撞新浪科技讯 北京时间9月1日消息 ， 在一项新研究中 ， 科学家通过新的计算方法揭示了一种假想的粒子如何产生特殊的噪声 。
这种理论上的粒子即“引力子”（graviton） ， 许多物理学家都相信引力子的存在 ， 但很少有人认为我们会看到它们 。 这些假设的基本粒子是量子引力理论的基石 ， 但在自然界中很难观测——或许不可能被观测 。 量子引力是对引力场进行量子化描述的理论 ， 试图统一爱因斯坦的广义相对论和量子力学 。
只有当时空结构缩小到尽可能小的尺度——如普朗克长度——时 ， 引力子的世界才会变得清晰可见 ， 但这需要一个能够驾驭真正极端能量的设备 。 不幸的是 ， 任何能够直接探测到这种尺度的测量设备 ， 其质量必然无比巨大 ， 足以坍缩成黑洞 。 著名理论物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在2013年的一次演讲中给出了这个极限值的粗略计算 ， 他说：“似乎大自然在协力合谋 ， 禁止任何小于普朗克长度的距离测量 。 ”
因此 ， 按照一般的思维 ， 引力子可能只会在宇宙最极端的地方显现 ， 比如大爆炸前后 ， 或者黑洞中心 。 “黑洞的问题在于 ， 它们是黑色的 ， 所以什么也出不来 ， ”美国芝加哥大学的天体物理学家丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）说 ， “而量子引力的东西就发生在这个中心——这就太糟糕了 。 ”
然而 ， 最近发表的几篇论文对这一观点提出了质疑 。 研究作者认为 ， 引力子可能会在引力波探测器——如激光干涉引力波天文台（LIGO）——中制造可观察到的“噪音” 。 其中一篇论文的合著者、美国亚利桑那州立大学的宇宙学家莫利克·帕里克（Maulik Parikh）说：“我们发现 ， 时空的量子模糊性会以某种抖动的方式印在物质上 。 ”
科学家还不清楚目前或未来的引力波天文台是否具备探测这种噪音所需的灵敏度 ， 但这些计算至少在理论上使几乎不可能的事情变得可能 。 研究人员通过思考引力子如何与探测器整体相互作用 ， 为“引力子噪声”概念提供了坚实的理论基础 ， 并让物理学家向实验证明又迈进了一步 。 他们希望未来的实验证据能表明 ， 引力遵循量子力学的规则 。
引力波的抖动
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图2/5莫利克·帕里克、弗兰克·维尔切克和乔治·扎哈里亚德（左起）计算了引力波探测器会如何找到引力子的证据戴森在2013年的计算使许多人相信 ， 利用引力波探测器来研究量子引力是不现实的 。 诺贝尔奖得主、麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）说：“有一种默认的共识是 ， 思考量子效应和引力辐射是在浪费时间 。 ”事实上 ， 直到2015年LIGO发现引力波之前 ， 维尔切克、帕里克和亚利桑那州立大学的宇宙学家乔治·扎哈里亚德（George Zahariade）都没有认真考虑这种可能性 。 “没有什么比实际的实验结果更能吸引人们的注意力 ， ”维尔切克说道 。
科学家认为 ， 引力子携带引力的方式类似于光子携带电磁力 。 正如光线可以被描绘成规整的光子集合 ， 引力波作为由剧烈宇宙过程在时空中产生的涟漪 ， 也可以认为是由引力子构成的 。 考虑到这一点 ， 研究作者提出了一个问题：引力波探测器在原理上能否足够灵敏地观测到引力子？帕里克表示 ， 这就相当于在问 ， 冲浪者如何能仅从波浪的运动来判断它是由水滴构成的？
与戴森只关注一个引力子的粗略计算不同 ， 研究作者考虑了多个引力子的影响 。 “我们总是受到布朗运动的启发 ， ”帕里克说道 ， 他指的是流体中微观粒子的随机晃动 。 爱因斯坦利用布朗运动推导了原子的存在 。 同样地 ， 许多引力子的集体行为也可能微妙地重塑着引力波 。
最简单的引力波探测器可以视为相隔一定距离的两个质量 。 当引力波经过时 ， 这两个质量之间的空间会随着引力波而伸展或压缩 ， 使二者的距离发生相应的变化 。 然而 ， 如果再增加引力子 ， 你就会发现常见的时空涟漪中出现了新的运动 。 当探测器吸收并发射引力子时 ， 其质量会随机抖动 ， 这就是引力子噪声 。 这种抖动在多大时才能被探测到 ， 最终取决于撞击探测器的引力波的类型 。
引力场以不同的“量子态”存在 ， 这取决于它们产生的方式 。 大多数情况下 ， 引力波是在“相干状态”——比如黑洞和中子星的相互旋转和碰撞——下产生的 ， 类似于池塘上的涟漪 。 像LIGO这样的探测器就是为了寻找这些传统的引力波 。
即使是相干引力波也会产生引力子噪声 ， 但是 ， 正如戴森所发现的那样 ， 这种噪声太过微弱 ， 无法测量 。 维尔切克指出 ， 这是因为探测器吸收引力子时产生的抖动 ， 与发射引力子时产生的抖动呈现“精确的平衡” 。 他希望他们的计算能导致相干态产生更大的噪声 ， “这有点令人失望 ， ”他说道 。
帕里克、维尔切克和扎哈里亚德没有被吓倒 ， 他们研究了戴森没有考虑到的其他几种引力波 。 他们发现 ， 一种被称为压缩态的量子态会产生更明显的引力子噪声 。 事实上 ， 引力子被挤压得越多 ， 其噪声就会呈指数级增加 。


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