量子引力和原初引力波“兩大疑難”

引力波能否展示現實世界的量子性質？愛因斯坦廣義相對論其中之一的預測就是引力波，時空好像編織物的纖維，通過物質和能量的作用產生了彎曲效果，在宇宙中加速運動的物體產生了時空纖維的漣漪——引力波。愛因斯坦的引力概念仍在經典物理描繪的範疇，時空是連續的，而不是間斷、離散的實體。引力理論在非常微小的距離和非常大尺度的場域失效了，得不出一個有意義的方程解，對於固有的量子學體系而言，沒有一種方法解出了引力場的大小，好像一個電子同時穿越了兩道縫隙。科學家在某種層面上充分期待引力以量子化的狀態表現出來，迄今沒有發現任何實驗的證據，但最近LIGO合作團隊直接探測到了引力波，科學家有理由相信引力波的存在第一次以引力的量子態呈現出來，引力是具有量子特性的作用力。

任何在引力場中加速運動的物質都將產生引力波，這是引力的能量形態，引力波以光速在時空中傳播。自從愛因斯坦去世以來，科學家花費了六十年的時間，第一次找到了引力波存在的間接證據，主要的原因在於探測的條件，科學家在難以置信的高強度引力場探測引力波，兩個彼此靠近的大質量物體在加速度運動中產生了天體行爲的明顯變化，但體積最小、物質密度最高、最緊湊的天體通常只有黑洞和中子星，這些天體事實上不能或難以發射光波，觀測它們的存在十分困難，對從天體的加速運動中產生引力波的檢測尤其艱難。

謝天謝地，中子星一類的脈衝星實際上是可見的，當脈衝星旋轉時，從旋轉軸的兩極發出了射電波，脈衝星是宇宙中最精準的時鐘，但在雙中子星、雙黑洞相互繞轉的情形中，繞轉軌道向內發生了塌縮，由於引力波輻射帶走了能量，雙天體的軌道發生了衰減。上個世紀的70到80年代，天體物理學家第一次對引力波做出了間接的探測，兩顆繞轉脈衝星軌道的衰減非常精確地符合廣義相對論的預測，但直到2016年2月，LIGO國際合作團隊發佈了引力波的消息，真正和毫不含糊地證實了相對論範疇的引力波現象。

兩個黑洞相互合併，事件發生在距離地球13億光年的遙遠地點，相當於3個太陽質量的物質轉化爲巨大的引力波能量，黑洞合併產生了引力波，在宇宙中以光速穿越，科學家通過華盛頓州和路易斯安那州的兩個LIGO探測器“抓取”了引力波信號，而引力波以極小的時間差先後壓縮和拉伸了探測器激光臂的“線長”，激光束長度的變化值不到一個質子直徑的百分之一，直接探測的結果明確無誤地告訴人們，引力波事實上是穿行在宇宙的漣漪。

在引力理論的量子版本解釋中，引力波實際上由大數量的量子粒子構成，物理學家將它們稱爲引力子，好像人們看得見的光由光子形態的量子粒子構成，人們不知道如何直接地探測引力子。引力波的產生還有宇宙概念的地點和時間，引力波起源在本質上完全是量子態的，天體物理學家稱之爲宇宙暴漲期引力波，在宇宙誕生的大爆炸時刻之前，可以推測引力的量子漲落效應已經發生，人們對宇宙誕生之前的狀態幾乎一無所知，時空在暴漲過程中以幾何級數膨脹，所有時空的量子漲落在整個的宇宙暴漲過程中伸展，包括引力場的量子漲落，在漲落或標量場漲落中，在某些太空區域出現了過密的質能分佈，在某些太空區域出現了欠密的質能分佈，在時間進程中，不均衡的物質和能量分佈促成了星系，星系羣和星系團的產生。漲落或張量場的漲落則導致了引力波的產生。

與宇宙中光子發生相互作用的漲落有非常特別的樣式，原則上可以測量到光的偏振樣式在，事實上，當宇宙暴漲的引力波超過了特定的數量級時，可以在宇宙微波背景輻射中檢測到光的偏振信號。宇宙微波背景是從宇宙大爆炸中遺存的餘暉，科學家樂觀地估計，在今後的20年，可能在宇宙微波背景輻射中探測到光的偏振樣式。

BICEP2 國際合作團隊在兩年前宣稱，他們探測到了原初引力波的信號，而後續的觀測結果推翻了他們的錯誤發現，但在一系列未來的實驗中，科學家可能將探測器的靈敏度提高到相當於BICEP2的100倍，如果真能提出宇宙暴漲中引力波信號存在的證據，那麼這種引力波信號與LIGO國際合作團隊探測到的將會非常不同，這種引力波信號有量子化的起源特徵，它們不能通過廣義相對論的方式得以產生，這是BICEP2, POLARBEAR, SPTPOL與 SPIDER和LIGO的檢測爲什麼不同的原因。

如果某種類型的宇宙暴漲產生了數量級太小的引力波，那麼對引力波預測的檢測可能導致失敗，也許有成功的機會，如果原初的引力波確實存在，它將是原初性、根本性的引力波信號，在起源的意義上獲得了固有的量子屬性，如何證明引力終究落入量子理論的解釋範圍，科學家希望發現真正量子化或更爲基礎性的引力理論。引力實際上是基本的量子力之一，科學家期待巨大的理論突破，LIGO的實驗儀器不足以幫助人們實現引力量子化的突破，LIGO探測器也不適合搜索宇宙的原初引力波。LIGO國際合作團隊第一次發現了引力波，各路媒體紛紛發佈了這一重大的科學發現。LIGO合作團隊的發現至少證明了引力波現象的真實存在，這一發現只是開始，“引力波物理學”將給人們帶來更多的驚喜。

（編譯：2016-3-13）