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传递引力的引力子是否真的存在?

如果你非常仔细地观察宇宙,通过在最小可能的尺度上探索基本实体,你会发现现实从根本上来说就是量子的。物质本身由不可分割、不可切割的量子实体组成,包括夸克、轻子和玻色子等粒子。这些量子带有电荷(色荷、电荷、弱同位旋和弱超电荷,以及作为引力电荷的“质量/能量”),这些带电粒子(胶子、光子、W 和 Z 玻色子等)之间的量子交换介导了它们之间的相互作用力。

然而,有一种从未被探测到的量子——引力子,它理论上是传递引力的粒子。尽管人们预测它存在(并且自旋为 2,在所有粒子中独一无二),而且就像光由光子组成一样,引力波也应该由引力子组成,但这些预测依赖于一个未经证实的假设:引力本质上是一种量子力。这个假设一定是真的吗?爱因斯坦的广义相对论中并没有这个假设,所以这不仅是一个好问题,而且是一个深刻的问题,它从根本上探讨了引力的本质。让我们来探索一下。

当引力波穿过太空中的某个位置时,它会在交替的时间和方向上引起膨胀和压缩,从而导致激光臂长在相互垂直的方向上发生变化。利用这种物理变化,我们开发出了成功的引力波探测器,如 LIGO 和 Virgo。然而,与此图不同,引力波并不只是在“管道”中传播,而是在整个三维空间中传播。

我们首先要思考的是“真实”粒子和“虚拟”粒子之间的区别。真实粒子是我们熟悉的事物:我们可以直接观察、测量和与它们互动。它们携带能量,可以被其他粒子吸收或发射。在许多方面,我们发现的第一个真实量子粒子是光子,即光量子。每次你看到某样东西,都是光子激发了你眼睛视网膜中视杆细胞或视锥细胞中的分子,然后刺激电信号发送到你的大脑,大脑会解释传入的数据集并构建你观察到的图像。这些都是真实的光子,包括太阳(或其他光源)发射并从我们周围的物体反射的光子。

这使得观察行为本质上是一种量子行为,每个光子都携带特定量的能量,这些能量要么会被特定分子吸收,要么不会被吸收。尽管爱因斯坦首次描述的光电效应直接证明了光的量子性质,但重要的是要认识到,所有形式的光,从能量最低的无线电波到能量最高的伽马射线,以及介于两者之间的一切,本质上都是量子的。任何真实的、携带能量的光信号都不可避免地由有限数量的真实光子组成,这些光子在原理和实践上都是可探测的。

光电效应详细说明了电子如何根据单个光子的波长被光子电离,而不是根据光强度、总能量或任何其他特性。如果光量子具有足够的能量,它可以与电子相互作用并电离电子,将其从材料中踢出并产生可检测的信号。

然而,当自然界中存在电磁力时——包括带电粒子之间的吸引力或排斥力、带电粒子在磁场中移动时的磁弯曲,或响应变化的、随时间变化的磁场/电场而产生的电场/磁场。光子也是传递这种力的媒介。不过,在这种情况下,交换来传递力的不是“真实”光子,而是“虚拟”光子。这些虚拟粒子(在电磁学中为虚拟光子)为我们提供了一种在任何时间点计算所有位置的电场和磁场强度和方向的方法。这是量子电动力学(特别是电磁学)在这个特定情况下的关键进展之一,也是量子场论(对于任何量子力)的关键进展之一。

我们可以对自然界中的其他量子力画出类似的图景和类比。例如,当质子在 LHC 上碰撞时,真正的胶子通常会在碰撞过程中相互碰撞(或碰撞成夸克),但强核力是由虚拟胶子介导的。当我们用适当的能量将电子和正电子碰撞在一起时,它们可以产生真正的 W(或 Z)玻色子,而当中子衰变成质子时,它们会通过发射虚拟 W 玻色子来实现衰变。除了我们在 LHC 上成功创造的真正的希格斯玻色子外,甚至还有由(虚拟)希格斯玻色子介导的希格斯力。

几年前,CMS 和 ATLAS 合作组织宣布首次对希格斯玻色子进行了稳健的 5 西格玛探测。但由于希格斯玻色子本身的质量不确定性,它并没有在数据中形成一个“尖峰”,而是一个分散的凸起。它的质量为 125 GeV/c²,这对理论物理学来说是一个谜,但实验者不必担心。它是存在的,我们可以创造它,现在我们也可以测量和研究它的性质。直接检测是绝对必要的,这样我们才能明确地说出这一点。

这给我们带来了一个大问题:引力又是如何的呢?

这是我们无法确定的事情,因为引力仍然是唯一没有完整量子描述的已知力。相反,我们有爱因斯坦的广义相对论作为引力理论,它依赖于纯经典(即非量子)形式来描述它。根据爱因斯坦的说法,时空表现为四维结构,这种结构的曲率和演化决定了物质和能量如何穿过它。同样,物质和能量的存在和分布决定了时空本身的曲率和演化,这两个概念以密不可分的方式联系在一起。

现在,在量子方面,我们的其他基本力和相互作用既有粒子的量子描述,也有场本身的量子描述。所有量子场论中执行的所有计算都是在时空中计算的,虽然我们执行的大多数计算都是在时空的基本背景是平坦和非弯曲的假设下进行的,但我们也可以在必要时插入更复杂的时空背景。例如,正是这样的计算让斯蒂芬霍金预测了黑洞发射以他的名字命名的霍金辐射。将量子场论(在这种情况下,是电磁学)与弯曲时空的背景相结合不可避免地会导致这样的预测。

黑洞的事件视界是一个球形或类球形区域,任何东西,甚至光,都无法从中逃脱。但在事件视界之外,黑洞预计会发出辐射,这取决于视界本身之外每个位置的空间曲率。霍金 1974 年的研究首次证明了这一点,但这项研究也导致了尚未解决的悖论。

爱因斯坦的广义相对论带来了一个预测,而这个预测在其前身(牛顿)的引力概念中是完全不存在的。即是说存在一种辐射的基本形式,其本质是纯粹的引力。在爱因斯坦的理论中,这些“引力波”是时空结构本身的涟漪,它们都携带能量并以光速传播。

正如带电粒子在电磁场中移动会发射电磁波(以光子的形式)一样,质量在弯曲时空区域(即引力场的类似物)中移动会发射引力辐射或引力波。

尽管 LIGO(以及后来的 Virgo 和现在的 KAGRA)探测器于 2015 年开始直接探测这些波,但在此之前,我们就已经知道它们的存在了。双脉冲星系统(两颗中子星相互绕转,从我们的角度来看,至少有一颗中子星有规律地“脉动”)恰恰代表了这种情况——质量穿过时空曲率发生变化的空间区域。因此,这些双脉冲星的轨道缓慢衰减,导致轨道时间逐渐变化,这表现为相关脉冲星发射的电磁脉冲时间的可观测量。

当两颗中子星相互绕转时,其中一个质量星穿过另一个质量星产生的弯曲时空,从而发射引力波,引力波会带走能量并导致轨道衰减。1974 年发现了第一个双中子星系统,其中至少有一颗中子星是脉冲星。甚至早在 1982 年,如插图所示,就可以观察到轨道衰减,这与广义相对论的预测一致。

这一现象最早是在 20 世纪 80 年代观测到的,为引力波的存在提供了非常有力的间接证据。毕竟,一定有什么东西带走了轨道能量,而罪魁祸首(再次根据爱因斯坦的预测)就是引力波。在后 LIGO 时代,我们现在将引力波与以下天体事件产生的信号联系起来:

· 黑洞-黑洞系统,

· 黑洞-中子星系统,

· 以及中子星-中子星系统,

脉冲星计时阵列准备探测单个超大质量黑洞系统,而未来的引力波探测器(如 LISA)则有望探测到其他类别的引力波生成系统。

换句话说,我们已经有力地证明了引力辐射(即引力波)确实是一种物理上真实的现象,就像光波(由光子组成)是真实的,就像胶子和其他玻色子是真实的一样。那么最大的问题就变成了,一旦我们确信引力波是真实的,携带能量,并且像其他已知实体一样“存在”,它们是否也表现出波粒二象性?

换句话说,正如光子不仅表现出波状特性,还表现出粒子状量子特性,引力波是否也具有同样的特性?

引力波事件 GW190521 的信号,当时所有三个活跃的引力波探测器都看到了它:LIGO 汉福德、LIGO 利文斯顿和 Virgo。整个信号持续时间仅为约 13 毫秒,但代表了通过爱因斯坦的 E = mc² 转换为纯能量的 8 个太阳质量的能量。这是有史以来直接观测到的质量最大的黑洞-黑洞合并之一。原始数据和理论预测都显示在前 3 个面板中,它们的匹配程度令人难以置信,清楚地显示了波状图案的存在。

许多物理学家认为答案是“是”。正如光的波动性质早在人们知道它具有量子性质之前就被证实一样,引力辐射的波动性质比它可能具有的任何粒子量子性质更容易检测和证明。因为我们只看到了引力辐射的波动部分,所以我们仍然不确定基于粒子的描述——用引力子来描述是否从根本上正确。巨大的困难在于对引力进行测试以确定引力辐射是否纯粹是波动的,或者它是否也具有粒子性质。

如果我们想沿着这条路走下去,这个概念并不难想象。

以水波为例,它从根本上来说是由粒子(以水分子的形式)组成的,即使从宏观水体观察无法看出这种组成。想象一下,你有一个水面,比如一个静止的池塘,你把一堆乒乓球扔进水中,它们浮在水面上。如果你在池塘里产生波浪,你就能追踪单个乒乓球的运动。单个乒乓球会在水面上上下、前后移动等,这表明尽管波在水中传播,但单个粒子(乒乓球和下面的水分子)只是以振荡方式运动,而不是像水波那样“行进”。

一系列沿圆形路径移动的粒子似乎可以产生宏观的波浪幻觉。同样,以特定模式移动的单个水分子可以产生宏观水波,单个光子可以产生我们感知为光波的现象,而我们看到的引力波很可能是由组成它们的单个引力子构成的。

引力波会类似吗?正如:

· 水波基本上是由在介质(水)内运动的单个粒子(分子)组成的,

· 光波从根本上来说是由在空间中传播的单个粒子(光子)组成的,

· 引力波从根本上来说是否可以由通过时空结构本身传播的单个粒子(引力子)组成?

我们知道引力波携带着真实、有限、可测量的能量,我们甚至知道如何将少量能量存入实验室探测器。我们知道引力波以光速传播,与所有无质量量子(包括光子和胶子)传播的速度一致。我们知道引力波应该会干扰空间中的任何其他涟漪。既有建设性的,也有破坏性的,遵循任何其他物理波都遵循的规则。我们从 LIGO 和类似探测器探测到的引力波中观察到,它们的波长随着宇宙的膨胀而延伸,就像穿过膨胀宇宙的光子表现出红移一样。

然而,无论引力波从根本上是波状的、纯粹经典的(如爱因斯坦的理论中所示),还是从根本上是量子性质的(如量子引力理论中由引力子组成),所有这些特性仍然成立。

从低功率激光脉冲开始,你可以将其拉伸,降低其功率,然后将其放大,而不会破坏放大器,然后再次压缩,从而产生比原本可能的更高功率、更短周期的脉冲。通过一组足够快、足够精确的激光器在引力波探测器阵列上工作,我们可以在两个黑洞奇点合并期间探测到与广义相对论的偏离。

然而,由于广义相对论的张量性质(与电磁力和核力的矢量性质或希格斯粒子的标量性质相反),引力波在细节上与我们习惯的其他波略有不同。它们不是像水波那样的标量波,也不是像光那样的矢量波(光具有同相振荡的电场和磁场)。相反,它们必须是张量波,当波穿过该区域时,会导致空间在相互垂直的方向上收缩和扩张。这意味着,如果有它们的量子类似物(引力子)描述,它们本质上不能是标量(自旋=0)或矢量(自旋=±1),而必须是张量(自旋=±2)。

然而,如果我们想证明引力本质上是量子的(这是证明引力子真实存在所必需的前提),我们必须寻找超出爱因斯坦预测的某些效应的迹象。示例问题包括:

· 当两个黑洞奇点合并时,是否会偏离纯粹的爱因斯坦预测?(也许足够灵敏的引力波探测器阵列可以告诉你。)

· 当电子穿过双缝时,它的引力场会发生什么变化?(也许足够灵敏的力探测器可以告诉我们。)

· 在膨胀过程中,引力波的产生是否会引起基本 B 模式极化?我们能否探测到这种极化?(这将表明引力本质上是量子的,但不能直接证明引力子的存在。)

· 我们能否通过某种方式证明量子系统的能级取决于系统的引力自能?(目前已经有方案可以实现这一点,但尚未取得积极成果。)

这些将是证明引力本质上是量子的可能方向,因此也是证明引力子的物理现实的基础。

锇纳克级圆盘的能级,以及自引力效应会如何影响这些能级的具体值(右)或不会影响(左)。圆盘的波函数及其受引力影响的方式,可能有助于首次进行实验测试,以验证引力是否真正是一种量子力,以及它是否遵循超越爱因斯坦广义相对论的预测。

然而,就目前的技术而言,所有这些都还有很长的路要走。至少就我所知,我们所发现的关于引力的最“量子”的事情是阿哈拉诺夫-玻姆效应不仅出现在电磁场中,也出现在引力场中。它表明,原子的相移可以仅由引力势引起。这不仅表明引力场是真实的,而且引力势本身对系统的量子力学性质具有可测量、可量化的影响。但这并不能证明引力本身是量子的;只能证明量子力学效应会被引力势改变。它并没有说明这种势的本质是量子的还是经典的。

我们在探索宇宙本质的道路上已经取得了长足的进步,迄今为止我们已经证明,标准模型预测的每种量子力、粒子和相互作用实际上都在我们的现实中得到了实验证实。爱因斯坦的广义相对论也是如此,它对宏观引力现象的所有预测都得到了实验的支持。然而,至于引力是否真的是量子性质的问题(这是我们在引力子存在与否方面需要问的真正问题),我们仍然没有足够的实验证据来证实或反驳这一想法。我们大多数人,从专业角度来说,强烈怀疑引力最终会被证明是量子的,引力子也会存在。然而,在某种实验证据出现之前,我们别无选择,只能诚实地说:“我们还没有证明引力子是否真的存在。”

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