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新浪网假想的“引力子”是否真的存在？科学家想通过量子噪声寻找( 二 )


最简单的引力波探测器可以视为相隔一定距离的两个质量 。 当引力波经过时 ， 这两个质量之间的空间会随着引力波而伸展或压缩 ， 使二者的距离发生相应的变化 。 然而 ， 如果再增加引力子 ， 你就会发现常见的时空涟漪中出现了新的运动 。 当探测器吸收并发射引力子时 ， 其质量会随机抖动 ， 这就是引力子噪声 。 这种抖动在多大时才能被探测到 ， 最终取决于撞击探测器的引力波的类型 。
引力场以不同的“量子态”存在 ， 这取决于它们产生的方式 。 大多数情况下 ， 引力波是在“相干状态”——比如黑洞和中子星的相互旋转和碰撞——下产生的 ， 类似于池塘上的涟漪 。 像LIGO这样的探测器就是为了寻找这些传统的引力波 。
即使是相干引力波也会产生引力子噪声 ， 但是 ， 正如戴森所发现的那样 ， 这种噪声太过微弱 ， 无法测量 。 维尔切克指出 ， 这是因为探测器吸收引力子时产生的抖动 ， 与发射引力子时产生的抖动呈现“精确的平衡” 。 他希望他们的计算能导致相干态产生更大的噪声 ， “这有点令人失望 ， ”他说道 。
帕里克、维尔切克和扎哈里亚德没有被吓倒 ， 他们研究了戴森没有考虑到的其他几种引力波 。 他们发现 ， 一种被称为压缩态的量子态会产生更明显的引力子噪声 。 事实上 ， 引力子被挤压得越多 ， 其噪声就会呈指数级增加 。
他们的理论探索表明 ， 引力子噪声在原理上是可以观测到的 ， 这与普遍的看法相反 。 此外 ， 如果探测到这种噪声 ， 物理学家就有机会了解可能产生压缩引力波的奇异来源 。 荷兰阿姆斯特丹大学的理论物理学家埃里克·弗尔林德（Erik Verlinde）说 ， “他们正以一种非常严肃的方式思考这个问题 ， 并以一种精确的语言来接近它 。 ”
“我们一直认为引力子会以某种方式轰击探测器 ， 所以会有一点抖动 ， ”帕里克说道 。 他们在三年多的时间里对这种抖动进行了计算 ， 并在最近的一篇论文中进行了总结 。 描述完整计算集的论文目前正在同行评议中 。 “当我们从数学上理解了引力子噪声如何产生时 ， 那是一个美妙的时刻 ， ”扎哈里亚德补充道 。
然而 ， 尽管压缩的光已经可以在实验室（包括LIGO实验室）里常规制造出来 ， 但压缩引力波是否存在仍然是未知的 。 维尔切克猜测 ， 在黑洞合并的最后阶段 ， 引力场会非常强大且变化迅速 ， 可能会产生这种挤压效应 。 宇宙暴胀——早期宇宙中时空迅速膨胀的时期——也可能导致这种挤压 。 现在 ， 研究作者正着手建立这些宇宙学事件及其发射的引力波的精确模型 。
“这为更加困难的计算打开了大门 ， 这将是一个挑战 ， 直到最后 ， ”维尔切克说 ， “但好消息是 ， 作为实验目标 ， 这个模型会非常有趣 ， 而且可能很接近现实 。 ”
宇宙是一张全息图？
对其他物理学家来说 ， 相对于观测到宇宙中的量子源 ， 他们更希望看到引力子噪声直接存在于动荡的时空真空中 ， 粒子在那里会迅速出现 ， 然后迅速消失 。 当这些假想粒子出现时 ， 会导致时空在它们周围轻微扭曲 ， 产生随机的波动 ， 这被称为“时空泡沫”——又称“量子泡沫” 。
在量子泡沫的普朗克尺度中 ， 时空不再是平滑的 ， 许多不同形状会像泡沫一样随机浮现 ， 又随机消失 。 这种微小世界的能量起伏就是所谓的“量子涨落” ， 而在量子涨落中形成的微小通道 ， 就是所谓的虫洞 。 这些量子虫洞又可以连接到周围众多的起伏泡沫 。
新浪网假想的“引力子”是否真的存在？科学家想通过量子噪声寻找
本文插图
下一代引力波探测器可以由航天器编队组成 。 图中显示的是激光干涉空间天线开路者号（LISA Pathfinder）任务团队正在为2015年12月的发射做准备 。 目前 ， 该任务已经成功地测试了新一代探测器所需的技术 。
这样的量子世界似乎无法进行实验 ， 但事实可能并非如此 。 如果宇宙遵循“全息原理” ， 即时空结构是以3D全息图的形式呈现在宇宙视界上的二维信息结构 。 如果全息原理是正确的 ， 那么像引力子这样的量子粒子就存在于低维度的表面上 ， 并在高维时空中编码着我们所熟悉的引力 。


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