2015年，LIGO團(tuán)隊(duì)宣布他們首次探測(cè)到了兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波信號(hào)，之后在2017年又宣布首次探測(cè)到兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。這一次，在北京時(shí)間8月15日，LIGO團(tuán)隊(duì)宣布再次探測(cè)到一組引力波信號(hào)，并認(rèn)為這次可能是由黑洞和中子星之間的碰撞產(chǎn)生的。
廣義相對(duì)論預(yù)言了時(shí)空的漣漪——引力波的存在，但如果量子理論是正確的，那么引力波也應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出波粒二象性。到目前為止，科學(xué)家對(duì)于引力波的探測(cè)都只局限在其“波”的特性，組成引力波的粒子——引力子真實(shí)存在嗎？我們要如何探測(cè)探測(cè)引力波的“粒子”特性呢？
撰文 | Ethan Siegel
翻譯 | Pink Seirios
2016年2月，LIGO 發(fā)表了一項(xiàng)聲明，徹底改變了人們對(duì)宇宙的圖像：在10多億光年之外，兩顆質(zhì)量分別為36和29個(gè)太陽質(zhì)量的巨大黑洞相互旋進(jìn)并合。這次并合事件的結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)62個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程 E = mc2，剩下的3個(gè)太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)化為純粹的能量，以引力波的形式在整個(gè)宇宙中蕩漾。
自那之后，LIGO 探測(cè)到的引力波信號(hào)數(shù)量已經(jīng)上升到兩位數(shù)，引力波如今也已經(jīng)極大地加深了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。然而，所有這些仍然只是根據(jù)廣義相對(duì)論這一經(jīng)典的引力理論得出的關(guān)于宇宙的信息。如果量子物理學(xué)是正確的，那么即便是對(duì)于引力波，波粒二象性也是真實(shí)存在的。接下來我們討論這到底意味著什么。
在廣義相對(duì)論關(guān)于彎曲時(shí)空的圖像中，物質(zhì)與能量決定了系統(tǒng)如何隨時(shí)間演化。廣義相對(duì)論做出了其他理論無法匹敵的成功預(yù)測(cè)，包括預(yù)言時(shí)空漣漪引力波的存在與性質(zhì)。如果量子理論是正確的，這種時(shí)空的漣漪必然有其粒子對(duì)應(yīng)物，因?yàn)椴６笮员厝贿m用于所有量子對(duì)象。| 圖片來源：LIGO毫不夸張地說，波粒二象性是迄今發(fā)現(xiàn)的最奇特的量子現(xiàn)象之一。它的起源很簡單：物質(zhì)由原子及其組成部分之類的粒子構(gòu)成，而輻射由波形成。我們可以辨認(rèn)出一個(gè)東西是粒子，因?yàn)榱Ｗ又g會(huì)發(fā)生種種行為，比如碰撞并反彈、粘在一起、交換能量、被束縛在一起等等。類似地，我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)東西是波，是因?yàn)椴〞?huì)發(fā)生衍射和干涉。牛頓認(rèn)為光是由粒子構(gòu)成的，但與他同時(shí)代的惠更斯以及19世紀(jì)早期的科學(xué)家，如托馬斯·楊和菲涅耳等人都明確地表明，光表現(xiàn)出一些特性，如果不將其看作是波，就無法解釋。當(dāng)我們讓光通過雙縫時(shí)，最明顯的現(xiàn)象就出現(xiàn)了：背景屏幕上顯示的圖案表明，光既會(huì)發(fā)生相長干涉，形成明亮的條紋，也會(huì)發(fā)生相消干涉，形成暗淡的條紋。這張圖可以追溯到19世紀(jì)早期托馬斯·楊的工作，它是展示源自A、B兩個(gè)點(diǎn)的波會(huì)發(fā)生相長干涉和相消干涉的最古老的圖像之一，這個(gè)裝置與雙縫實(shí)驗(yàn)的裝置在物理上是等同的。| 圖片來源：WIKIMEDIA COMMONS USER SAKURAMBO
這種干涉現(xiàn)象是波的獨(dú)特產(chǎn)物。雙縫實(shí)驗(yàn)，以及隨后更為復(fù)雜的類似實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光是一種波。但在20世紀(jì)初，隨著光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，這一點(diǎn)變得更加令人困惑：當(dāng)光照射在特定的材料上時(shí)，有時(shí)候會(huì)“激發(fā)出”電子。如果我們用頻率更低（因而能量更低）的光來照射，那么無論光的強(qiáng)度有多大，都無法激發(fā)出任何電子。但是如果用頻率更高（因而能量更高）的光照射，那么即便是將光的強(qiáng)度降到很低很低，仍然會(huì)激發(fā)出電子。不久之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光是由量子化的一個(gè)個(gè)光子組成，單個(gè)的光子可以表現(xiàn)得像粒子一樣，如果具有合適的能量，就能讓電子電離出去。這張圖表示的是隨著光子能量（頻率）的變化，束縛在鋅原子中的電子能量的變化。可以看到，當(dāng)光子能量低于一個(gè)特定的數(shù)值時(shí)，就不會(huì)從鋅原子中激發(fā)出任何電子，這與光的強(qiáng)度無關(guān)。然而，在一個(gè)特定的能量閾值以上（即足夠短的波長），光子總會(huì)激發(fā)出電子。隨著光子能量持續(xù)增加，發(fā)射出的電子的速度會(huì)越來越快。| 圖片來源：WIKIMEDIA COMMONS USER KLAUS-DIETER KELLER, CREATED WITH INKSCAPE在20世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更為奇特的現(xiàn)象：- 當(dāng)單個(gè)光子一次一個(gè)地通過雙縫時(shí)，它們?nèi)匀粫?huì)與自身發(fā)生干涉，產(chǎn)生與波的特性一致的圖樣。
- 被認(rèn)為是粒子的電子也會(huì)展現(xiàn)出這種干涉和衍射圖樣。
- 如果測(cè)量光子或電子通過的是哪條縫，就不會(huì)得到干涉圖樣；但如果不測(cè)量它，就可以得到干涉圖樣。
我們?cè)?jīng)觀察到的每一個(gè)粒子似乎都可以被描述為既是波又是粒子。而且量子物理學(xué)告訴我們，在適當(dāng)?shù)那闆r下，我們需要將它們既看作是波，又看作是粒子，否則就無法得到與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。電子一次一個(gè)地通過雙縫而形成的波。如果測(cè)量電子通過的是“哪條縫”，就會(huì)破壞這種量子干涉圖樣。這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一些復(fù)雜的設(shè)備，但有很多方法可以讓我們?cè)诩依镆材芸匆娏孔佑钪娴男?yīng)，而且對(duì)光子和電子都一樣有效。| 圖片來源：DR. TONOMURA AND BELSAZAR OF WIKIMEDIA COMMONS
好了，我們終于可以考慮引力波了。就物理學(xué)而言，引力波頗為獨(dú)特，因?yàn)槲覀冎豢吹搅怂鼈儾ǖ牟糠?，卻從來沒有看到粒子的部分。 LIGO團(tuán)隊(duì)探測(cè)到的第一對(duì)并合黑洞的引力波信號(hào)。原始數(shù)據(jù)與理論模版的匹配程度好得令人難以置信，并清楚表現(xiàn)出一種類似于波的模式。| 圖片來源：B. P. ABBOTT ET AL. (LIGO SCIENTIFIC COLLABORATION AND VIRGO COLLABORATION)
然而，正如水波是由粒子構(gòu)成的波，我們預(yù)期引力波同樣是由粒子構(gòu)成的。這些粒子應(yīng)該是所謂的引力子，而不是水分子。在量子引力理論的框架下，引力子傳遞引力。引力是自然界固有的一種量子相互作用，我們預(yù)期引力子作為引力的結(jié)果出現(xiàn)，而引力波應(yīng)該由引力子構(gòu)成。沿著環(huán)形路徑運(yùn)動(dòng)的一系列粒子可以產(chǎn)生一種錯(cuò)覺，使得它們看起來就像是宏觀的波。與此類似，以特定模式運(yùn)動(dòng)的單個(gè)水分子可以產(chǎn)生宏觀的水波，而我們所看到的引力波很可能是由組成它們的單個(gè)量子粒子（引力子）構(gòu)成的。| 圖片來源：DAVE WHYTE OF BEES & BOMBS引力波與我們所熟知的其他波在細(xì)節(jié)上略有不同：引力波不是像水波那樣的標(biāo)量波，甚至也不是像光那樣的矢量波，具有振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。引力波是張量波，當(dāng)引力波經(jīng)過空間中的一個(gè)區(qū)域時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空間在兩個(gè)垂直方向上收縮和拉伸。盡管如此，因?yàn)橐Σㄊ且环N波，而且科學(xué)家觀測(cè)到這種波的行為與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的完全一樣，這包括：* 在旋進(jìn)階段（inspiral phase）因此，我們可以有把握地推斷，引力波也會(huì)表現(xiàn)出廣義相對(duì)論所預(yù)言的所有類似于波的行為。* 在介質(zhì)中以特定的速度傳播（對(duì)于引力波，是在時(shí)空的結(jié)構(gòu)中以光速傳播）；
* 與空間中的其他漣漪發(fā)生相長和相消干涉；
* 這些波會(huì)“駕乘”在其他無論什么業(yè)已出現(xiàn)的時(shí)空曲率結(jié)構(gòu)上；
* 如果有什么方法——或許是圍繞黑洞這樣的強(qiáng)大的引力源——可以使引力波發(fā)生衍射，它們就會(huì)發(fā)生衍射。
此外，隨著宇宙膨脹，引力波也會(huì)表現(xiàn)出所有波在一個(gè)膨脹的宇宙中會(huì)表現(xiàn)出的行為：隨著宇宙背景空間的膨脹而拉伸和膨脹。
隨著宇宙結(jié)構(gòu)的膨脹，任何輻射的波長都會(huì)被拉長（并失去能量）。對(duì)于電磁波是如此，對(duì)于引力波也是這樣。| 圖片來源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY所以真正的問題是，我們?nèi)绾翁綔y(cè)量子的部分？如何尋找引力波的“粒子”特性？從理論上來說，引力波也類似于水分子形成水波的情況，許多粒子四處運(yùn)動(dòng)，從而表現(xiàn)為一種波。不過這些粒子是引力子，而整體表現(xiàn)出來的波就是LIGO探測(cè)到的引力波。假如確實(shí)存在引力子，那么它們應(yīng)該滿足一些條件：LIGO 的信號(hào)對(duì)第二個(gè)條件（也就是沒有質(zhì)量）限制得非常好：如果引力子確實(shí)有質(zhì)量，那應(yīng)該低于1.6 x 10-22 eV/c2，或者說比電子質(zhì)量輕大約1028倍。但在找到一種方法用引力波檢測(cè)量子引力之前，我們不知道波粒二象性中的“粒子”部分是否適用于引力子。事實(shí)上，由于LIGO自身精度的限制，并不太可能觀測(cè)到量子引力效應(yīng)，但確實(shí)存在幾種可能的觀測(cè)機(jī)會(huì)。我們知道，當(dāng)很強(qiáng)的引力場(chǎng)在非常小的距離上作用時(shí)，量子引力效應(yīng)是最強(qiáng)、最明顯的。除了并合的黑洞，還有什么更好的工具有可能探測(cè)這種狀態(tài)呢？當(dāng)兩個(gè)奇點(diǎn)并合在一起時(shí)，這些量子效應(yīng)——應(yīng)該是與廣義相對(duì)論相背離的——將出現(xiàn)在并合的時(shí)刻，以及旋進(jìn)階段的末尾和鈴宕階段的開始。實(shí)際上，這時(shí)我們是在研究探測(cè)皮秒（10-12s）量級(jí)，而不是LIGO能夠靈敏探測(cè)的微秒到毫秒（10-6~10-3s）量級(jí)，但這或許是有可能實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一個(gè)低功率的激光脈沖，我們可以拉伸它，降低它的功率，然后在不破壞放大器的情況下放大它，接著再次壓縮它，從而創(chuàng)造出一個(gè)更高功率、更短周期的脈沖。在最近幾年，我們已經(jīng)從飛秒（10-15s）激光過渡到了阿秒（10-18s）激光物理學(xué)。| 圖片來源：JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES我們已經(jīng)開發(fā)出了在飛秒（10-15s）甚至阿秒（10-18s）的時(shí)間范圍內(nèi)工作的激光脈沖，因此可以想象，如果我們有足夠的干涉儀同時(shí)工作，就可能對(duì)相對(duì)論的微小偏離保持靈敏。這將需要技術(shù)上的巨大飛躍，包括大量干涉儀，以及顯著降低噪音和提高靈敏度。但這在技術(shù)上并非不可能，只是有困難罷了！脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，它們以非常精確的時(shí)間周期發(fā)射規(guī)則的射電脈沖。引力波會(huì)導(dǎo)致脈沖的抵達(dá)時(shí)間發(fā)生微小的變化，通過監(jiān)測(cè)多個(gè)脈沖星組成的脈沖星時(shí)序陣列，可以探測(cè)和分析引力波。這張圖顯示，當(dāng)時(shí)空受到引力波擾動(dòng)時(shí)，需要多少個(gè)脈沖星才能夠探測(cè)到引力波信號(hào)。與此類似，一個(gè)足夠精確的激光陣列原則上可以探測(cè)引力波的量子性質(zhì)。| 圖片來源：DAVID CHAMPION / MAX PLANCK INSTITUTE FOR RADIO ASTRONOMY
盡管我們有充分的理由相信，引力波只是電磁波的量子類似物，但與光子不同的是，我們?cè)诩夹g(shù)上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能直接探測(cè)引力波的組成粒子——引力子。理論物理學(xué)家仍在計(jì)算應(yīng)該出現(xiàn)的獨(dú)特量子效應(yīng)，他們與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一起，設(shè)計(jì)對(duì)于量子引力的測(cè)試。與此同時(shí)，引力波天文學(xué)家仍然在困惑，未來一代探測(cè)器要如何揭示引力波的量子性質(zhì)。盡管我們預(yù)期引力波會(huì)表現(xiàn)出波粒二象性，但在探測(cè)到之前，我們還不能確定。我們只能希望好奇心會(huì)驅(qū)使我們投入其中，希望大自然與人類合作，希望有一天我們能找到答案。
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