引力波具有波粒二象性吗？

LIGO已经两次探测到爱因斯坦100年前预言的引力波了，这也引起了一个有趣的问题：“引力波具有波粒二象性吗？如果有，物理学家要用什么方法验证，比如双缝实验？”

故事还得从波粒二象性说起，它是量子力学最令人惊异的结果之一。

图一：1803年，托马斯·杨在皇家学会呈现他的研究成果。（Wikimedia Commons）

物质是由粒子组成的，比如原子以及它们成分，辐射则是由波组成的。如果某样东西是粒子，我们只要观察它是否会与其它粒子碰撞和反弹、交换能量、束缚在一起等等就可以知道。而如果是波，那么它就会发生干涉和衍射。牛顿认为，光是由微粒构成的；但其他人比如惠更斯以及杨和菲涅尔发现光的行为像波。关于光是波动的，最有说服力的一个实验是双缝实验（图一）。当光通过一个双缝时，由于光的波动性质，会使得光束相互干涉，在探测屏幕上会显示明亮条纹（相长干涉）和暗淡条纹（相消干涉）相间的图案。

图二：当粒子足够多的时候就可以明显看到干涉图案，即使它们是一个接一个通过双缝。（Wikimedia Commons）

干涉是波独有的特征，所以这就“证明”了光是波动的。但是，在20世纪初的时候，由于光电效应的发现，事情越发的有趣又神秘。当你把光照射在某种特定的材料时，偶尔会有一些电子被光“踢”出来。如果光的波长越长（因此能量较低），无论入射光多强，也不会有任何的电子会被踢出来。但如果使用蓝光（因此能量较高），即使光的强度很低，也总会观察到被光踢出来的电子。最后，爱因斯坦发现光其实是量子化的，由光子组成，每个光子表现的像粒子，因此只要使用适当的能量就可以将电子电离。爱因斯坦也因“光电效应”获得了诺贝尔物理学奖。

图三：能量低于某个阈值时，就不会看到电离的发生；一旦超过某个阈值，就会产生店里；光子的能量越高电子的速度就越快。（Wikimedia Commons）

紧接下来的实验发现更加令人印象深刻：

• 将单个光子依次射入双缝，会发现它们也会产生干涉条纹，跟波的性质完全一样；

• 电子，已知是粒子，也会产生干涉和衍射图案；

• 一旦你想监视光子或电子是从哪个狭缝通过，你就不会观测到干涉图案。

所有我们已知的粒子都可以用波或粒子来描述。此外，量子物理告诉我们在某些情况下我们需要把它们同时当做波和粒子看待，否则就无法解释实验的结果。

嗯，这就是量子力学，当年小编刚接触波粒二象性的时候简直被这种奇妙的性质深深地吸引但也同时感到很困惑。如果想更深入的了解，强烈建议阅读《费恩曼物理学讲义》第三卷的前面两章。

图四：左列和右列分别是LIGO在两个不同地点的探测器的观测数据。（B.P.Abbott et al.）

现在我们回到引力波的问题上。目前我们只观测到过它波的一面，并没有观测到它粒子的一面。但是，就像水波一样是由粒子组成的波一样，我们也完全期待引力波是由粒子组成的，只不过组成引力波的是引力子（而不是水分子）。从量子物理学中我们知道基本相互作用都是由量子交换产生的，比如电磁力是由交换光子而产生的，所以理论上引力之间的传递也是由交换引力子而产的。

图五（Dave Whyte of Bees & Bombs）

因为它是波，也因为观测到的这些波跟广义相对论的预言完全一致，包括旋进（inspiral）、合并(merger)和铃宕（ringdown）的三个过程的波形，因此我们有把握它会完全表现出广义相对论预言的所有波的行为。引力波和其它我们熟知的波在细节上有点区别：它们不是标量波（比如水波），也不是矢量波（比如光，振荡的电场和磁场）。引力波是张量波，当它经过某个空间区域的时候会导致空间在竖直方向的收缩和细化。

引力波跟所有其它波能做的事情一样，包括它们会以一定的速度在介质中传播；它们也会与空间中的其它涟漪进行相长或相消干涉；如果条件适合它们也会产生衍射，比如在传播过程中经过一个强引力场的黑洞。此外，由于宇宙的膨胀，引力波也会跟其它的波一样，随着空间的膨胀它们也会被拉伸。

随着空间膨胀，引力波也会被拉伸。（E.Siegel）

所以，现在真正的问题是，物理学家要怎么试验引力波的量子性质？要如何寻找引力波的“粒子”行为呢？理论上，引力波看起来就跟图五显示的一样，表现波其实是由许多粒子在绕来绕去组成的：那些粒子就是引力子，而表现波就是LIGO探测到的。我们完全有理由期待我们手上有一系列的引力子，那就是：

• 自旋为2的粒子，

• 没有质量，

• 以光速传播，

• 只通过引力进行相互作用。

LIGO对第二项——没有质量——有很好的限制：如果引力子有质量，那么它小于1.6 × 10^-22 eV/c2，或者说比电子轻10^28倍。但是，在我们找到一个利用引力波来试验量子引力的方法之前，我们无法知道波粒二象性的“粒子”行为是否适用于引力子。

事实上，我们的确有机会观测到该现象，尽管LIGO不太可能会在这方面成功。如果有一个非常强的引力场在一个非常小的距离，这个时候量子引力效应最强以及最为显著。而合并的黑洞是观测量子引力效应的最佳选择。当两个奇点合并在一起，这些量子效应会在合并的那刻显现，也就是正好在旋进结束和铃宕开始之前的状态。现实来讲，我们想找的信号是皮秒级的，而不是LIGO所擅长的微妙到毫秒级别，但这并不意味着不可能。现代的激光脉冲已经可以在飞秒（10^-15）和阿托秒（10^-18）时域内运作，所以如果我们有足够的干涉仪同时工作，或许可以观测到蛛丝马迹。这需要在技术上有一个飞跃的进步，包括大量的干涉仪，噪声的显著减小以及灵敏度的增加。这并不是技术上不可行的，只是技术上困难的！

不管怎么说，引力波的发现只是开始，我们希望未来对它的深入研究能够发现更多被隐藏的秘密，终有一天我们会找一个量子引力理论来解释这一切。

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