「原初引力波」中是否隱藏著宇宙的「終極奧秘」？

它是否會成為調和廣義相對論和量子力學的關鍵？

NASA

在認為時空結構會被質量和能量彎曲的愛因斯坦廣義相對論中，有一個古老的預言——質量的加速會在這個宇宙的時空結構中產生漣漪，也就是所謂的引力波。但愛因斯坦的引力仍然是一個古典物理學概念。

首先，在愛因斯坦的概念中，空間和時間是連續的實體，無法進行細分；其次，在甚小的距離和甚大的場中，愛因斯坦的理論預言會失效（得不出有意義的解）；最後，我們無法為固有的量子系統——如雙縫實驗中的電子進行引力場計算。

人們極為期待在某個層次上，引力會展現出它的量子本性，雖然到目前為止，還沒有任何實驗可以證明這一點。但隨著人類直接探測引力波獲得成功，我們有理由相信，引力波，能夠成為我們展現引力量子本性的關鍵。

在引力場中加速的任何質量都會產生引力波，它是一種能以光速在空間中傳播的能量形式。人們用了六十年時間才獲得引力波存在的首個間接證據，因為引力波的強度要大到能夠被我們檢測到，需要有極強的引力場——需要有極大的質量在極短的距離內相互加速——才能產生可供感知的變化。宇宙中合格的候選者只有黑洞和中子星，它們體積最小，質量最大，也最緊湊。但眾所周知，這些天體極難觀測，因為它們根本不發光，或極為黯淡。

所幸的是，有一種中子星——脈衝星是可以被觀測到的，因為它們會一邊高速旋轉，一邊通過兩極釋放出無線電波。天文學家可以把這些天體當作宇宙中的精確鐘錶，但如果它們正好圍繞著別的坍縮天體（中子星或黑洞）運行，它們的軌道就會衰減，失去的能量就會以引力波的形式向外釋放。

這類引力波的間接證據早在1970年代和1980年代就已經獲得，中子星軌道的衰減情況與廣義相對論的預言精確相符。但直到2016年2月，人們才獲得了這種相對論現象的確鑿證據。兩個13億光年外黑洞的合并，失去了三個太陽的質量，這些質量轉化成了引力波，以光速穿越了宇宙，使兩個LIGO觀測站的激光束髮生了尺度不到一個質子百分之一的伸縮。對這些信號的直接檢測結果告訴我們，引力波確實能夠像漣漪一樣在宇宙中傳播。

在時空中，引力波曾經有過一個純粹的量子起源——宇宙的暴脹。在這個空間以指數級膨脹的時期，量子漲落存在於所有場中，且遍布整個宇宙，這其中就包括了引力場的漲落。在這些漲落中，有一些（如標量漲落）引發了空間的密度差異，並進一步導致了星系、星系群和星系團的逐漸形成；有一些（如張量漲落）導致了引力波的產生。

宇宙的歷史。美國國家科學基金會

這些漲落會以非常特殊的方式與宇宙中的光子發生作用，使光發生在理論上可供檢測的偏振。假如暴脹產生的引力波高於某個級別，這樣的偏振信號就可以在大爆炸的餘暉——宇宙微波背景中被檢測到。

學者們多年前就開始對此進行檢測。雖還未找到可信的結果，但當前和未來所進行的實驗要比過去靈敏100倍以上。假如能夠發現來自暴脹期引力波的真實信號，那這種引力波和LIGO發現的會有極大差異，因為這種引力波起源於量子；單靠傳統的廣義相對論，我們無法對它作出解釋。

假如暴脹引發的引力波級別太小，那這個預言就會失敗。但成功的可能性是存在的，如果是這樣，那這就是一種終極引力波信號——一種量子起源的引力波，進而能夠證明引力可以用量子力學加以詮釋。在我們期待出現一種純量子化的、更為基礎的引力理論的同時，發現引力是一種基本的量子作用力將會是一個巨大的飛躍。LIGO本身也許無法幫助我們做到這一點，但引力波很可能會成為最後一塊丟失的拼圖。

Ethan Siegel 文 / 老孫 譯

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