我们能测试引力波的波粒二象性吗?

我们能测试引力波的波粒二象性吗?
2019年08月24日 01:04 新浪网 作者 芳歌情感

我们能测试引力波的波粒二象性吗?

弯曲时空的广义相对论图景,物质和能量决定了这些系统如何随时间演化,做出了其他理论无法比拟的成功预测,包括引力波的存在和性质。如果量子理论是正确的,这些波纹必须有一个粒子类似物,因为波粒二象性必须适用于所有量子。

2016年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)发表了一项声明,彻底改变了我们对宇宙的看法:从10多亿光年之外,两个质量分别为36和29倍太阳质量的巨大黑洞激发并融合在一起。合并的结果是产生了一个62个太阳质量的黑洞,剩下的3个太阳质量通过爱因斯坦的质能方程转化为纯能量,以引力波的形式在宇宙中传播。从那时起,LIGO的探测次数已经上升到两位数,因为引力波现在无疑是真实存在的。但根据广义相对论,所有这些仍然是关于宇宙的信息。如果量子物理学是正确的,那么波粒二象性就是真实的,即使对于引力波也是如此!

我们能测试引力波的波粒二象性吗?

这张图可以追溯到19世纪早期托马斯·杨的工作,它是最古老的图片之一,展示了从A点和B点发出的波源产生的破坏性干涉。

毫不夸张地说,波粒二象性是迄今为止发现的最奇怪的量子现象之一。它的起源很简单:物质是由粒子组成的,比如原子,而辐射是由波组成的。如果说一个物质是粒子,那么它会与其他粒子发生碰撞、粘在一起、交换能量等等。类似地,如果说一个物质是波,那么它会衍射并干涉。牛顿对光的理解是错误的,他认为光是由粒子构成的,但是其他的人,如惠更斯,以及19世纪早期的科学家,如杨和菲涅耳,都明确地表明如果不把光看作是一种波,是无法解释的。最明显的现象是,当光通过一个双缝时:背景屏幕上的显示表明,光既会进行衍射(导致亮点),也会进行干涉(导致黑点)。

我们能测试引力波的波粒二象性吗?

电子通过双狭缝的波形,一次一个。如果测量电子通过的“哪条缝”,就破坏了这里显示的量子干涉图样。

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。当你用光照射某种物质时,有时电子会被光“踢开”。在长波情况下,即使任意强度的光都不会激发任何电子。但是在短波情况下,即使很小的光的强度也会激发电子。光被量化为光子了,甚至单个光子也能像粒子一样,如果电子具有合适的能量,它们就会电离。

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在一定的能量阈值以上,光子总是会将电子踢出。随着光子能量的不断增加,电子被以越来越快的速度抛出。

更奇怪的认识出现在20世纪,我们发现:

当单个光子通过一个双缝时,仍然会相互干扰,产生与波的本质相一致的图案。电子,众所周知是粒子,也表现出这种干涉和衍射模式。如果测量光子或电子穿过哪个狭缝,就不会得到干涉图样,但如果不测量它,就会得到干涉图样。

似乎我们所观察到的每一个粒子都可以被描述为波和粒子。此外,量子物理学告诉我们,我们需要在适当的情况下同时对待它,否则我们将不会得到与我们的实验一致的结果。

我们能测试引力波的波粒二象性吗?

引力波信号来自探测到的第一对黑洞。原始数据和理论模板的匹配程度令人难以置信,并且清楚地显示出类似于波浪的模式。

现在,我们终于可以考虑引力波了。就物理学而言,它们是独一无二的,因为我们只看到了它们的波状部分,而没有看到以粒子为基础的部分。然而,就像水波是由粒子构成的波一样,我们完全相信引力波也是由粒子构成的。这些粒子应该是引力子,在所有已知的引力量子理论的概念下,这种粒子可以调节引力。引力是自然界固有的一种量子力,引力子完全可以作为引力的结果出现,引力波应该是由它们构成的。

沿着圆形路径运动的一系列粒子可以产生一种宏观的波。同样,以特定模式运动的单个水分子可以产生宏观水波,我们看到的引力波很可能是由组成它们的单个量子粒子构成的:引力子。

因为这是一个波,因为这个波被观察到的行为和广义相对论预测的完全一样,包括:

在旋进阶段,在合并阶段,以及在振动阶段,

它们在细节上与我们所熟悉的其他波有一点不同,它们不是像水波那样的标量波,甚至也不是像光那样的矢量波,它们有同相振荡的电场和磁场。相反,这些是张量波,当波经过那个区域时,张量波使空间在垂直方向上收缩。这些波的作用和你对任何一种波的期望都是一样的,包括:

它们以特定的速度在介质中传播,它们会破坏性地干扰空间中的其他波,这些波“骑”在已经存在的时空曲率之上,这些波在一定条件下会发生衍射。

此外,当宇宙膨胀时,我们知道这些波会做所有膨胀宇宙中的波都会做的事,随着宇宙的膨胀而被拉伸。

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随着宇宙结构的膨胀,任何波都会被拉长。这不仅适用于电磁波,也适用于引力波。

所以真正的问题是,我们如何测试引力波的粒子性?从理论上讲,引力波类似于早期的图像,图像显示了由许多四处运动的粒子产生的表观波,这些粒子就是引力子,LIGO探测到的是整体表观波。我们完全有理由期待我们有一系列引力子,它们是:

spin-2 粒子,无质量,它们以光速传播,它只通过引力相互作用。

如果引力子确实有质量,它小于1.6 x 10^-22 eV/c2,或者比电子轻约10^28倍。但在我们找到用引力波来测试量子引力的方法之前,我们无法知道波粒二象性的“粒子”部分是否适用于引力子。量子引力效应是最强的,最明显的,在非常小的距离情况下,有很强的引力场在起作用。还有什么比合并黑洞更适合来探测这种状态呢?当两个奇点合并在一起时,这些量子效应将在合并的时刻出现。

我们能测试引力波的波粒二象性吗?

在2010年代,我们已经从飞秒(10^-15秒)激光过渡到阿秒(10^-18秒)激光物理学。

我们已经开发出了在飞秒甚至阿秒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,我们可能对相对论的微小偏离很敏感。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。

我们能测试引力波的波粒二象性吗?

这张图显示,当时空受到波的扰动时,时序阵列中所监测到的脉冲星中有多少可以探测到引力波信号。同样,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。

尽管我们有充分的理由相信引力波只是电磁波的量子模拟,但与电磁光子不同的是,我们还没有迎接直接探测引力波的对应物——引力子的技术挑战。理论学家仍在计算应该出现的独特量子效应,并与实验员一起设计量子引力的测试。与此同时,引力波天文学家还在为未来一代探测器如何揭示这些波的量子性质而困惑。虽然我们期望引力波表现出波粒二象性,但我们还不能确定。希望我们的好奇心驱使我们投入其中,希望大自然与我们合作,希望我们能一劳永逸地找到答案

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