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据称引力波再度现身,可我们能探测到它的波粒二象性吗?

[ 来源:返朴 | 作者:本站 | 发布时间:2019-08-29 | 浏览:857次 ]

  2015年,LIGO团队宣布他们首次探测到了两个黑洞碰撞产生的引力波信号,之后在2017年又宣布首次探测到两个中子星并合产生的引力波信号。这一次,在北京时间8月15日,LIGO团队宣布再次探测到一组引力波信号,并认为这次可能是由黑洞和中子星之间的碰撞产生的。

  广义相对论预言了时空的涟漪——引力波的存在,但如果量子理论是正确的,那么引力波也应当表现出波粒二象性。到目前为止,科学家对于引力波的探测都只局限在其“波”的特性,组成引力波的粒子——引力子真实存在吗?我们要如何探测探测引力波的“粒子”特性呢?  

  撰文 | Ethan Siegel

  翻译 | Pink Seirios

  2016年2月,LIGO 发表了一项声明,彻底改变了人们对宇宙的图像:在10多亿光年之外,两颗质量分别为36和29个太阳质量的巨大黑洞相互旋进并合。这次并合事件的结果是产生了一个62个太阳质量的黑洞,根据爱因斯坦质能方程 E = mc2,剩下的3个太阳质量转化为纯粹的能量,以引力波的形式在整个宇宙中荡漾。

  自那之后,LIGO 探测到的引力波信号数量已经上升到两位数,引力波如今也已经极大地加深了我们对宇宙的认识。然而,所有这些仍然只是根据广义相对论这一经典的引力理论得出的关于宇宙的信息。如果量子物理学是正确的,那么即便是对于引力波,波粒二象性也是真实存在的。接下来我们讨论这到底意味着什么。

  

  在广义相对论关于弯曲时空的图像中,物质与能量决定了系统如何随时间演化。广义相对论做出了其他理论无法匹敌的成功预测,包括预言时空涟漪引力波的存在与性质。如果量子理论是正确的,这种时空的涟漪必然有其粒子对应物,因为波粒二象性必然适用于所有量子对象。| 图片来源:LIGO

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  波粒二象性

  毫不夸张地说,波粒二象性是迄今发现的最奇特的量子现象之一。它的起源很简单:物质由原子及其组成部分之类的粒子构成,而辐射由波形成。我们可以辨认出一个东西是粒子,因为粒子之间会发生种种行为,比如碰撞并反弹、粘在一起、交换能量、被束缚在一起等等。

  类似地,我们可以发现一个东西是波,是因为波会发生衍射和干涉。牛顿认为光是由粒子构成的,但与他同时代的惠更斯以及19世纪早期的科学家,如托马斯·杨和菲涅耳等人都明确地表明,光表现出一些特性,如果不将其看作是波,就无法解释。

  当我们让光通过双缝时,最明显的现象就出现了:背景屏幕上显示的图案表明,光既会发生相长干涉,形成明亮的条纹,也会发生相消干涉,形成暗淡的条纹。

  

  这张图可以追溯到19世纪早期托马斯·杨的工作,它是展示源自A、B两个点的波会发生相长干涉和相消干涉的最古老的图像之一,这个装置与双缝实验的装置在物理上是等同的。| 图片来源:WIKIMEDIA COMMONS USER SAKURAMBO

  这种干涉现象是波的独特产物。双缝实验,以及随后更为复杂的类似实验,证实了光是一种波。但在20世纪初,随着光电效应的发现,这一点变得更加令人困惑:

  当光照射在特定的材料上时,有时候会“激发出”电子。如果我们用频率更低(因而能量更低)的光来照射,那么无论光的强度有多大,都无法激发出任何电子。但是如果用频率更高(因而能量更高)的光照射,那么即便是将光的强度降到很低很低,仍然会激发出电子。不久之后,科学家发现,光是由量子化的一个个光子组成,单个的光子可以表现得像粒子一样,如果具有合适的能量,就能让电子电离出去。

  

  这张图表示的是随着光子能量(频率)的变化,束缚在锌原子中的电子能量的变化。可以看到,当光子能量低于一个特定的数值时,就不会从锌原子中激发出任何电子,这与光的强度无关。然而,在一个特定的能量阈值以上(即足够短的波长),光子总会激发出电子。随着光子能量持续增加,发射出的电子的速度会越来越快。| 图片来源:WIKIMEDIA COMMONS USER KLAUS-DIETER KELLER, CREATED WITH INKSCAPE

  在20世纪,科学家发现了更为奇特的现象:

  当单个光子一次一个地通过双缝时,它们仍然会与自身发生干涉,产生与波的特性一致的图样。

  被认为是粒子的电子也会展现出这种干涉和衍射图样。

  如果测量光子或电子通过的是哪条缝,就不会得到干涉图样;但如果不测量它,就可以得到干涉图样。

  我们曾经观察到的每一个粒子似乎都可以被描述为既是波又是粒子。而且量子物理学告诉我们,在适当的情况下,我们需要将它们既看作是波,又看作是粒子,否则就无法得到与实验一致的结果。

  

  电子一次一个地通过双缝而形成的波。如果测量电子通过的是“哪条缝”,就会破坏这种量子干涉图样。这个实验需要一些复杂的设备,但有很多方法可以让我们在家里也能看见量子宇宙的效应,而且对光子和电子都一样有效。| 图片来源:DR. TONOMURA AND BELSAZAR OF WIKIMEDIA COMMONS

  2

  引力波的波粒二象性?

  好了,我们终于可以考虑引力波了。就物理学而言,引力波颇为独特,因为我们只看到了它们波的部分,却从来没有看到粒子的部分。

  

  LIGO团队探测到的第一对并合黑洞的引力波信号。原始数据与理论模版的匹配程度好得令人难以置信,并清楚表现出一种类似于波的模式。| 图片来源:B. P. ABBOTT ET AL. (LIGO SCIENTIFIC COLLABORATION AND VIRGO COLLABORATION)

  然而,正如水波是由粒子构成的波,我们预期引力波同样是由粒子构成的。这些粒子应该是所谓的引力子,而不是水分子。在量子引力理论的框架下,引力子传递引力。引力是自然界固有的一种量子相互作用,我们预期引力子作为引力的结果出现,而引力波应该由引力子构成。

  

  沿着环形路径运动的一系列粒子可以产生一种错觉,使得它们看起来就像是宏观的波。与此类似,以特定模式运动的单个水分子可以产生宏观的水波,而我们所看到的引力波很可能是由组成它们的单个量子粒子(引力子)构成的。| 图片来源:DAVE WHYTE OF BEES & BOMBS

  引力波与我们所熟知的其他波在细节上略有不同:引力波不是像水波那样的标量波,甚至也不是像光那样的矢量波,具有振荡的电场和磁场。引力波是张量波,当引力波经过空间中的一个区域时,会导致空间在两个垂直方向上收缩和拉伸。

  尽管如此,因为引力波是一种波,而且科学家观测到这种波的行为与广义相对论预测的完全一样,这包括:

  * 在旋进阶段(inspiral phase)

  * 在并合阶段(merger phase)

  * 在铃宕阶段(ringdown phase)

  因此,我们可以有把握地推断,引力波也会表现出广义相对论所预言的所有类似于波的行为。

  引力波具有许多和其他任何波相同的行为,这包括

  * 在介质中以特定的速度传播(对于引力波,是在时空的结构中以光速传播);

  * 与空间中的其他涟漪发生相长和相消干涉;

  * 这些波会“驾乘”在其他无论什么业已出现的时空曲率结构上;

  * 如果有什么方法——或许是围绕黑洞这样的强大的引力源——可以使引力波发生衍射,它们就会发生衍射。

  此外,随着宇宙膨胀,引力波也会表现出所有波在一个膨胀的宇宙中会表现出的行为:随着宇宙背景空间的膨胀而拉伸和膨胀。

  

  随着宇宙结构的膨胀,任何辐射的波长都会被拉长(并失去能量)。对于电磁波是如此,对于引力波也是这样。| 图片来源:E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

  3

  如何寻找引力波的“粒子”性?

  所以真正的问题是,我们如何探测量子的部分?如何寻找引力波的“粒子”特性?

  从理论上来说,引力波也类似于水分子形成水波的情况,许多粒子四处运动,从而表现为一种波。不过这些粒子是引力子,而整体表现出来的波就是LIGO探测到的引力波。假如确实存在引力子,那么它们应该满足一些条件:

  * 自旋为2的粒子,

  * 没有质量,

  * 以光速传播,

  * 只通过引力相互作用。

  LIGO 的信号对第二个条件(也就是没有质量)限制得非常好:如果引力子确实有质量,那应该低于1.6 x 10-22eV/c2,或者说比电子质量轻大约1028倍。但在找到一种方法用引力波检测量子引力之前,我们不知道波粒二象性中的“粒子”部分是否适用于引力子。

  一对碰撞的黑洞周围的弯曲时空

  事实上,由于LIGO自身精度的限制,并不太可能观测到量子引力效应,但确实存在几种可能的观测机会。我们知道,当很强的引力场在非常小的距离上作用时,量子引力效应是最强、最明显的。除了并合的黑洞,还有什么更好的工具有可能探测这种状态呢?

  当两个奇点并合在一起时,这些量子效应——应该是与广义相对论相背离的——将出现在并合的时刻,以及旋进阶段的末尾和铃宕阶段的开始。实际上,这时我们是在研究探测皮秒(10-12s)量级,而不是LIGO能够灵敏探测的微秒到毫秒(10-6~10-3s)量级,但这或许是有可能实现的。

  

  对于一个低功率的激光脉冲,我们可以拉伸它,降低它的功率,然后在不破坏放大器的情况下放大它,接着再次压缩它,从而创造出一个更高功率、更短周期的脉冲。在最近几年,我们已经从飞秒(10-15s)激光过渡到了阿秒(10-18s)激光物理学。| 图片来源:JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES

  我们已经开发出了在飞秒(10-15s)甚至阿秒(10-18s)的时间范围内工作的激光脉冲,因此可以想象,如果我们有足够的干涉仪同时工作,就可能对相对论的微小偏离保持灵敏。这将需要技术上的巨大飞跃,包括大量干涉仪,以及显著降低噪音和提高灵敏度。但这在技术上并非不可能,只是有困难罢了!

  

  脉冲星是快速旋转的中子星,它们以非常精确的时间周期发射规则的射电脉冲。引力波会导致脉冲的抵达时间发生微小的变化,通过监测多个脉冲星组成的脉冲星时序阵列,可以探测和分析引力波。这张图显示,当时空受到引力波扰动时,需要多少个脉冲星才能够探测到引力波信号。与此类似,一个足够精确的激光阵列原则上可以探测引力波的量子性质。| 图片来源:DAVID CHAMPION / MAX PLANCK INSTITUTE FOR RADIO ASTRONOMY

  尽管我们有充分的理由相信,引力波只是电磁波的量子类似物,但与光子不同的是,我们在技术上还远远不能直接探测引力波的组成粒子——引力子。

  理论物理学家仍在计算应该出现的独特量子效应,他们与实验物理学家一起,设计对于量子引力的测试。与此同时,引力波天文学家仍然在困惑,未来一代探测器要如何揭示引力波的量子性质。

  尽管我们预期引力波会表现出波粒二象性,但在探测到之前,我们还不能确定。我们只能希望好奇心会驱使我们投入其中,希望大自然与人类合作,希望有一天我们能找到答案。

  本文经作者 Ethan Siegel 授权翻译自博客“Starts With A Bang”,略有改动。原文标题为“Can We Test Gravitational Waves For Wave-Particle Duality?”。