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引力波被检测存在那么存不存在引力子专家有或许

2020-1-11 编辑:admin 来源:互联网 阅读次数:
  导读: 图片来自:美国宇航局 激光干涉引力波天文台已探测到其第一个引力波信号,爱因斯坦理论中预测空间本身应该有波纹的部分得以证实。这带来了各种有趣的问题,包括读者...

图片来自:美国宇航局

激光干涉引力波天文台已探测到其第一个引力波信号,爱因斯坦理论中预测空间本身应该有波纹的部分得以证实。这带来了各种有趣的问题,包括读者乔·拉托内提出的问题,他问:

引力波是否有望表现出波粒二象性?如果是,激光干涉引力波天文台的物理学家是否已经构思出测试方法,如双缝实验?

量子力学里,波粒二象性是我们所发现的最奇怪的结论之一。

图片来自:维基

它开始很简单:物质是由如原子及其组成部分等粒子组成的,而辐射是由波形成的。如果某物可以和其他粒子进行诸如碰撞、反弹、粘连、交换能量、结合等等变化,你就可以判断它是粒子。如果某物会衍射和干涉自身,那你就可以判断它是波。牛顿在这一点上对光理解有误,他认为光是由粒子构成的,但其他人,如与牛顿同代的惠更斯,以及后来的杨和菲涅尔等十九世纪初的科学家都明确提出,如果不把光视为一种波,光的很多特性就无法解释。光的一些特性在其通过双缝时显现出来:探测屏上呈现的图样表明,光会产生相长干涉(导致亮纹)和相消干涉(导致暗纹)。

图片来自:维基

这种干涉现象是波的特点,因此这“证明”光是一种波。但是,随着20世纪早期光电效应的发现,事情变得更令人困惑。当光照射到某种物质上时,电子偶尔会被光“启动”。如果光更红(也就是能量更低),即便你随意调整光强,光也不会“启动”任何电子。但是,如果照射的光更蓝(也就是能量更高),即使把光强调得无比低,电子仍会被“启动”。不久之后,我们发现光可以被量化成光子,甚至单个光子也可以像粒子一样起作用,如果光子的能量合适,就会使电子电离。

图片来自:维基

20世纪的发现也许更令人感到奇怪,因为我们发现:

单光子一个一个通过双缝,仍然会干涉自身,呈现图样,这符合波的性质。

电子,已知是粒子,也呈现出这种干涉和衍射图样。

如果你测量了光子或电子穿过的缝隙,你得不到干涉图样,但如果你不测量它,你反而能得到干涉图样。

似乎我们观察到的每一个粒子都既可以被描述为波,又可以被描述为粒子。此外,量子物理学告诉我们,在适当条件下同时把它当作波和粒子,否则我们将得不到与我们的实验一致的结果。

图片来自:B.P.Abbott 等人

现在,我们说说引力波。引力波比较独特,因为我们只看到引力波波状的一面,从来就没看到过其粒子的一面。然而,就像水波是粒子组成的波一样,我们完全预计引力波也是由粒子构成的。这些粒子可能是引力子(而不是水分子),一种调节重力的粒子,由于重力在自然界中是一种固有的量子力,这种粒子完全可能存在。

图片来自:Bees & Bombs

因为引力波是一种波,且观察显示该波完全符合广义相对论的以下预测:

在旋进阶段

在并合阶段

在铃宕阶段

因此我们大家可以有把握地推断,引力波将继续变现广义相对论预测的所有波的行为。在细节上,引力波与我们熟悉的其他波稍有不同:它们不像水波那样是标量波,也不像光之类的矢量波那样,有同相、振荡的电场和磁场。相反,引力波是张量波,当波穿过某区域时,它会导致空间在垂直方向上收缩和舒张。

引力波也呈现和其他任何波相同的特点:在介质中以特定速度传播(在空间自身结构中以光速传播);在空间中与任何其他波纹产生相长和相消干涉;引力波会“骑乘”在任何其他时空曲率之上;如果有某种方法——也许是绕着黑洞这样的强引力源移动——导致引力波衍射,它们就会衍射。此外,随着宇宙的膨胀,引力波将像膨胀的宇宙中所有的波一样:随着宇宙背景空间的扩展而延伸和膨胀。

图片来自:E.西格尔《超越银河》

所以真正的问题是,我们要如何探测量子部分呢?我们要如何探寻引力波的“粒子”性?从理论上讲,引力波与之前举的例子类似,许多粒子在周围移动产生波,不过这些粒子是引力子,而激光干涉引力波天文台探测到的整体的表面波就是引力波。我们完全有理由猜想引力子存在,它有以下特点:

自旋为2的粒子,

无质量,

以光速传播,

只通过引力相互作用。

激光干涉引力波天文台对第二个特点“无质量”的限制非常精确:如果引力子有质量,它应低于1.6 x 10-22eV/c2,也就是比电子轻1028倍。但在我们找到利用引力波监测量子引力的方法之前,我们不知道波波粒二象性的“粒子”部分是否适用于引力子。

实际上,我们已看到了一些可能的方法,尽管激光干涉引力波天文台不太可能让任何可能成真。当强大的引力场在极短的距离上作用时,量子引力效应最强、最明显,你有强大的引力场在发挥非常小的距离。还有什么比合并黑洞更适合测量这种状态呢?!当两个奇点合并在一起时,量子效应——这应该与广义相对论相背离——将在合并的时刻出现,就是在旋进阶段末尾和铃宕阶段的开始。实际上,我们正在讨论的是皮秒量级,而不是激光干涉引力波天文台探测的毫秒量级,但这可能不是不可能。我们已开发出了工作速度为飞秒至阿秒(10-15-10-18)的激光脉冲,因此,如果有足够的干涉仪,我们就可以检测到对相对论的微小偏离。这需要技术的巨大飞跃,包括大量的干涉仪、噪音显著降低、灵敏度显著提升。但从技术上讲,这并非不可能,只是很困难!

还有,我给密歇根大学的“通俗天文学家”做了一个关于引力波、激光干涉引力波天文台以及经验教训的实时视频演讲。

你可能对最后一个关于我们如何测试引力子的粒子性质问题特别感兴趣,如果成功,这将使我们对宇宙中波粒二象性的了解更加完整。我们期望这能够实现,但我们难以断言。希望我们的好奇心能引导我们投入研,希望自然条件配合,希望我们能找出答案!

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. forbes-亦谌

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