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引力波探测,一种证明量子理论的方式

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发表于 2020-08-01 15:34 | 显示全部楼层 |阅读模式

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爱因斯坦广义相对论最古老的预言之一——引力理论认为,时空是一个因物质和能量的存在而弯曲和弯曲的结构——是宇宙中加速的质量在空间结构中产生涟漪:引力波。但是爱因斯坦关于重力的概念仍旧是经典的,如:


时空是一个因物质和能量的存在而弯曲和弯曲的结构.jpeg
图片来源:NASA/索诺马州立大学/奥罗拉 西蒙内。

空间和时间是连续的实体,而不是离散的实体,

该理论的预测在非常小的距离和存在非常大的磁场时就会失效(给出无意义的答案),

而且对于固有的量子系统,比如电子遇到双缝,是没有办法计算引力场的。

我们完全有理由相信在某种程度上,引力将证实相对论中的量子理论,尽管我们还没有任何实验证据证明这一点。但随着LIGO对引力波的直接探测,我们有充分的理由相信,这些引力波的存在是证明——第一次证明——引力确实是一种本质上的量子力的关键。下面是我们的方法:

任何在引力场存在下加速的物质都会产生引力波,引力波是以光速在空间中传播的一种能量形式。六十年后,第一个间接证明引力波存在的证据出现了,因为它需要非常强大的引力场——非常大的质量以非常短的距离彼此加速——才能在天体物理物体的行为中产生显著的变化。但最小、质量最高、最致密的天体是黑洞和中子星,它们由于几乎不发光而臭名昭著得难以观测!


,有一类中子星——脉冲星——实际上是可见的.jpeg
幸运的是,有一类中子星——脉冲星——实际上是可见的,这要归功于它在旋转时从两极发出的无线电波。这些通常是宇宙中最完美的时钟,但如果其中一个恰好在另一个坍缩物体(中子星或黑洞)的轨道上,它的轨道将会衰变,因为能量会以引力波的形式被带走。
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 楼主| 发表于 2020-08-01 15:36 | 显示全部楼层

RE: 引力波探测,一种证明量子理论的方式

这种间接探测引力波的方法是在20世纪70年代和80年代首次提出的,轨道衰变与广义相对论的预测完全吻合。但上个月LIGO的声明才真正、毫不含糊地证实了这种相对论现象。当两个相距13亿光年的黑洞合并在一起时,相当于三个太阳质量的巨大物质转化成了引力波的能量。他们以光速穿越宇宙,由位于华盛顿和路易斯安那州的两个LIGO探测器捕获,探测器交替地将激光的路径压缩和拉伸了不到百分之一的质子。对这些信号的直接探测清楚地告诉我们,引力波确实在宇宙中传播。

从一个双星黑洞合并B. P. Abbott等观测引力波,(LIGO科学合作和室女座合作.jpeg

在这个引力波理论的量子版本中,引力波实际上是由大量的量子粒子——引力子——组成的,就像我们看到的光是由光子形式的量子粒子组成的一样。虽然我们还不知道如何直接探测引力子粒子,还有另一个合适的时间和地点产生引力波的起源在本质上完全是量子:从宇宙的时代被称为宇宙膨胀,前一段时间就热大爆炸。当空间以指数级膨胀时,宇宙中所有量子的涨落就会延伸到整个宇宙,包括引力场的涨落。当一些波动(标量波动)导致空间的密度过高和密度过低的区域,随着时间的推移,这些区域会发展成星系、群体和星团,而另一类波动(张量波动)导致引力波的产生。

引力波实际上是由大量的量子粒子——引力子——组成的,就像我们看到的光是由光子形式.jpeg

这些波动与宇宙中的光子以一种非常特殊的方式相互作用,使它们的光以一种原则上可以检测到的方式极化。事实上,如果来自膨胀的引力波超过某个量级,在未来某个时间点,这种极化信号将在大爆炸的余晖(宇宙微波背景)中被探测到。


BICEP2过去曾宣称能探测到这些波,但随后的改进证据推翻了这一说法。但是现在和将来有大量的实验应该比BICEP2灵敏100倍。如果这些引力波从膨胀中产生一个正信号,这将与LIGO看到的引力波非常不同,因为这些引力波的起源是量子的;它们无法仅通过经典广义相对论产生。这就是BICEP2、POLARBEAR、SPTPOL和SPIDER等实验正在努力测量的结果。


如果各种膨胀产生的引力波的幅度太小,这种预测可能会失败。但它也有可能成功,如果成功了,它将是终极的引力波信号:一个从本质上讲是量子的信号,一个证明了引力终究是一个量子理论的信号。虽然我们都希望找到一个真正的量子,更基础的万有引力理论,但找到证明万有引力实际上是一个基本的量子力的证据本身就是一个巨大的飞跃。LIGO不会是把我们带到那里的一个设备,但它向我们展示的现象是真实的——引力波——很可能是让它走到一起的一块缺失的拼图。

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CDer:000405740
发表于 2020-08-02 10:17 超大游击队员 | 显示全部楼层
如果验证量子引力理论成功,那么大统一理论构建有望迈开关键一步,为星际航行必备的人造引力引擎即曲速引擎的可能性奠定关键性的理论基础。
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