假想的「引力子」是否真的存在?科學家想通過量子噪聲尋找

北京時間9月1日消息,在一項新研究中,科學家通過新的計算方法揭示了一種假想的粒子如何產生特殊的噪聲。這種理論上的粒子即「引力子」(graviton),許多物理學家都相信引力子的存在,但很少有人認為我們會看到它們。這些假設的基本粒子是量子引力理論的基石,但在自然界中很難觀測——或許不可能被觀測。量子引力是對引力場進行量子化描述的理論,試圖統一愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。

假想的「引力子」是否真的存在?科學家想通過量子噪聲尋找

如果引力真的遵循量子力學的規則,那麼被稱為「引力子」的粒子就會與常規物質不斷碰撞

只有當時空結構縮小到盡可能小的尺度——如普朗克長度——時,引力子的世界才會變得清晰可見,但這需要一個能夠駕馭真正極端能量的設備。不幸的是,任何能夠直接探測到這種尺度的測量設備,其質量必然無比巨大,足以坍縮成黑洞。著名理論物理學家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在2013年的一次演講中給出了這個極限值的粗略計算,他說:「似乎大自然在協力合謀,禁止任何小於普朗克長度的距離測量。」

因此,按照一般的思維,引力子可能只會在宇宙最極端的地方顯現,比如大爆炸前後,或者黑洞中心。「黑洞的問題在於,它們是黑色的,所以什麼也出不來,」美國芝加哥大學的天體物理學家丹尼爾·霍爾茲(Daniel Holz)說,「而量子引力的東西就發生在這個中心——這就太糟糕了。」

然而,最近發表的幾篇論文對這一觀點提出了質疑。研究作者認為,引力子可能會在引力波探測器——如激光干涉引力波天文台(LIGO)——中製造可觀察到的「噪音」。其中一篇論文的合著者、美國亞利桑那州立大學的宇宙學家莫利克·帕里克(Maulik Parikh)說:「我們發現,時空的量子模糊性會以某種抖動的方式印在物質上。」

科學家還不清楚目前或未來的引力波天文台是否具備探測這種噪音所需的靈敏度,但這些計算至少在理論上使幾乎不可能的事情變得可能。研究人員通過思考引力子如何與探測器整體相互作用,為「引力子噪聲」概念提供了堅實的理論基礎,並讓物理學家向實驗證明又邁進了一步。他們希望未來的實驗證據能表明,引力遵循量子力學的規則。

引力波的抖動

假想的「引力子」是否真的存在?科學家想通過量子噪聲尋找

  莫利克·帕里克、弗蘭克·維爾切克和喬治·扎哈里亞德(左起)計算了引力波探測器會如何找到引力子的證據

戴森在2013年的計算使許多人相信,利用引力波探測器來研究量子引力是不現實的。諾貝爾獎得主、麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)說:「有一種默認的共識是,思考量子效應和引力輻射是在浪費時間。」事實上,直到2015年LIGO發現引力波之前,維爾切克、帕里克和亞利桑那州立大學的宇宙學家喬治·扎哈里亞德(George Zahariade)都沒有認真考慮這種可能性。「沒有什麼比實際的實驗結果更能吸引人們的注意力,」維爾切克說道。

科學家認為,引力子攜帶引力的方式類似於光子攜帶電磁力。正如光線可以被描繪成規整的光子集合,引力波作為由劇烈宇宙過程在時空中產生的漣漪,也可以認為是由引力子構成的。考慮到這一點,研究作者提出了一個問題:引力波探測器在原理上能否足夠靈敏地觀測到引力子?帕里克表示,這就相當於在問,沖浪者如何能僅從波浪的運動來判斷它是由水滴構成的?

與戴森只關注一個引力子的粗略計算不同,研究作者考慮了多個引力子的影響。「我們總是受到布朗運動的啟發,」帕里克說道,他指的是流體中微觀粒子的隨機晃動。愛因斯坦利用布朗運動推導了原子的存在。同樣地,許多引力子的集體行為也可能微妙地重塑着引力波。

最簡單的引力波探測器可以視為相隔一定距離的兩個質量。當引力波經過時,這兩個質量之間的空間會隨着引力波而伸展或壓縮,使二者的距離發生相應的變化。然而,如果再增加引力子,你就會發現常見的時空漣漪中出現了新的運動。當探測器吸收並發射引力子時,其質量會隨機抖動,這就是引力子噪聲。這種抖動在多大時才能被探測到,最終取決於撞擊探測器的引力波的類型。

引力場以不同的「量子態」存在,這取決於它們產生的方式。大多數情況下,引力波是在「相干狀態」——比如黑洞和中子星的相互旋轉和碰撞——下產生的,類似於池塘上的漣漪。像LIGO這樣的探測器就是為了尋找這些傳統的引力波。

即使是相干引力波也會產生引力子噪聲,但是,正如戴森所發現的那樣,這種噪聲太過微弱,無法測量。維爾切克指出,這是因為探測器吸收引力子時產生的抖動,與發射引力子時產生的抖動呈現「精確的平衡」。他希望他們的計算能導致相干態產生更大的噪聲,「這有點令人失望,」他說道。

帕里克、維爾切克和扎哈里亞德沒有被嚇倒,他們研究了戴森沒有考慮到的其他幾種引力波。他們發現,一種被稱為壓縮態的量子態會產生更明顯的引力子噪聲。事實上,引力子被擠壓得越多,其噪聲就會呈指數級增加。

他們的理論探索表明,引力子噪聲在原理上是可以觀測到的,這與普遍的看法相反。此外,如果探測到這種噪聲,物理學家就有機會了解可能產生壓縮引力波的奇異來源。荷蘭阿姆斯特丹大學的理論物理學家埃里克·弗爾林德(Erik Verlinde)說,「他們正以一種非常嚴肅的方式思考這個問題,並以一種精確的語言來接近它。」

「我們一直認為引力子會以某種方式轟擊探測器,所以會有一點抖動,」帕里克說道。他們在三年多的時間里對這種抖動進行了計算,並在最近的一篇論文中進行了總結。描述完整計算集的論文目前正在同行評議中。「當我們從數學上理解了引力子噪聲如何產生時,那是一個美妙的時刻,」扎哈里亞德補充道。

然而,盡管壓縮的光已經可以在實驗室(包括LIGO實驗室)里常規製造出來,但壓縮引力波是否存在仍然是未知的。維爾切克猜測,在黑洞合並的最後階段,引力場會非常強大且變化迅速,可能會產生這種擠壓效應。宇宙暴脹——早期宇宙中時空迅速膨脹的時期——也可能導致這種擠壓。現在,研究作者正着手建立這些宇宙學事件及其發射的引力波的精確模型。

「這為更加困難的計算打開了大門,這將是一個挑戰,直到最後,」維爾切克說,「但好消息是,作為實驗目標,這個模型會非常有趣,而且可能很接近現實。」

宇宙是一張全息圖?

對其他物理學家來說,相對於觀測到宇宙中的量子源,他們更希望看到引力子噪聲直接存在於動盪的時空真空中,粒子在那里會迅速出現,然後迅速消失。當這些假想粒子出現時,會導致時空在它們周圍輕微扭曲,產生隨機的波動,這被稱為「時空泡沫」——又稱「量子泡沫」。

在量子泡沫的普朗克尺度中,時空不再是平滑的,許多不同形狀會像泡沫一樣隨機浮現,又隨機消失。這種微小世界的能量起伏就是所謂的「量子漲落」,而在量子漲落中形成的微小通道,就是所謂的蟲洞。這些量子蟲洞又可以連接到周圍眾多的起伏泡沫。

假想的「引力子」是否真的存在?科學家想通過量子噪聲尋找

  下一代引力波探測器可以由航天器編隊組成。圖中顯示的是激光干涉空間天線開路者號(LISA Pathfinder)任務團隊正在為2015年12月的發射做准備。目前,該任務已經成功地測試了新一代探測器所需的技術。

這樣的量子世界似乎無法進行實驗,但事實可能並非如此。如果宇宙遵循「全息原理」,即時空結構是以3D全息圖的形式呈現在宇宙視界上的二維信息結構。如果全息原理是正確的,那麼像引力子這樣的量子粒子就存在於低維度的表面上,並在高維時空中編碼着我們所熟悉的引力。

在這種情況下,量子引力效應可以被放大到日常世界的實驗中,比如LIGO。弗爾林德和加州理工學院的理論物理學家凱瑟琳·楚雷克(Kathryn Zurek)最近提議,可以使用LIGO或其他高靈敏性的干涉儀來觀察儀器周圍的量子泡沫。

在全息宇宙中,干涉儀位於被低維度量子表麵包裹的高維時空中。表面上所有的微小波動加起來,就會產生一種大到足以被干涉儀探測到的噪聲。弗爾林德說:「我們已經證明了量子引力效應不僅僅是由普朗克尺度決定的,還由干涉儀的尺度決定。」

如果他們關於全息原理的假設成立,引力子噪聲就將成為LIGO的實驗目標,甚至成為「桌面」實驗的目標。2015年,在費米國家加速器實驗室,一項名為「全息儀」(Holometer )的桌面實驗開始尋找宇宙是全息圖的證據,但被發現存在不足。「當時的理論想法非常原始,」弗爾林德說道,並指出他與楚雷克在論文中的計算是基於自那時以來發展的更深入的全息方法。他認為,如果計算結果能夠精確地預測出引力子噪聲的「模樣」,那它們被發現的幾率就會更高——盡管仍然不太可能。

楚雷克和弗爾林德的方法只有在我們的宇宙是全息的情況下才會起作用,而這是一個遠未建立的猜想。楚雷克自己也承認,他們對此的態度「更多的是一種狂野的西部心態。」她說:「這是高風險的,不太可能成功,但管它呢,我們對量子引力的了解太少了。」

未知的領域

相比之下,帕里克、維爾切克和扎哈里亞德的計算就建立在很少有異議的物理基礎上。「我們做了一個非常保守的計算,幾乎可以肯定是正確的,」帕里克說,「本質上,這只是假設存在一種叫做引力子的東西,使引力可以被量化。」

不過,三位研究者也承認,在確定當前或計劃中的引力波探測器能否發現引力子噪聲之前,還需要做更多的理論調查工作。帕里克說:「這需要幾次幸運的突破。」不僅宇宙中必須存在能產生壓縮引力波的來源,而且引力子噪聲必須與LIGO已經探測到的其他許多噪聲源區分開來。

假想的「引力子」是否真的存在?科學家想通過量子噪聲尋找

埃里克·弗爾林德等人提出了一項建議:在時空的真空泡沫中直接尋找引力子的噪聲

「到目前為止,LIGO還沒有表現出任何與愛因斯坦廣義相對論的預測相違背的物理跡象,」LIGO合作小組的成員丹尼爾·霍爾茲說,「於是我們就回到了開始的地方:廣義相對論太神奇了。」不過,他也指出,引力波探測器是我們在宇宙中獲得新的基本性發現的最大希望,因為大部分的宇宙「完全沒有在地圖上標注出來」。

維爾切克認為,如果研究人員能夠理解引力子噪聲可能的「模樣」,就可以調整引力波探測器來提高發現它的幾率。「很自然,人們會一直專注於尋找信號,而沒有想到過噪聲的有趣特徵,」他說,「但如果你有這種想法的話,可能就會設計一些不同的東西。」(霍爾茲指出,LIGO研究人員已經研究了一些可能的宇宙噪聲信號)

盡管仍有挑戰,但維爾切克對未來持「謹慎樂觀」態度,認為他們的工作將帶來可以被實驗證實的預測。無論如何,他希望這篇論文能激勵其他理論物理學家去研究引力子噪聲。

「基礎物理學是一門很難的學科。你可以把整件事寫在一件T恤上,但卻很難對它做任何補充或改變,」維爾切克說,「我不認為會有直接的結果,但這打開了一扇通向另一世界的新窗口。然後,我們就會看到我們所預測的結果。」(任天)

來源:cnBeta