科学家计划通过量子噪声寻找假想的“引力子”

       在一项新研究中，科学家通过新的计算方法揭示了一种假想的粒子如何产生特殊的噪声。这种理论上的粒子即“引力子”（graviton），许多物理学家都相信引力子的存在，但很少有人认为我们会看到它们。这些假设的基本粒子是量子引力理论的基石，但在自然界中很难观测——或许不可能被观测。量子引力是对引力场进行量子化描述的理论，试图统一爱因斯坦的广义相对论和量子力学。

       如果引力真的遵循量子力学的规则，那么被称为“引力子”的粒子就会与常规物质不断碰撞，只有当时空结构缩小到尽可能小的尺度——如普朗克长度——时，引力子的世界才会变得清晰可见，但这需要一个能够驾驭真正极端能量的设备。不幸的是，任何能够直接探测到这种尺度的测量设备，其质量必然无比巨大，足以坍缩成黑洞。著名理论物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在2013年的一次演讲中给出了这个极限值的粗略计算，他说：“似乎大自然在协力合谋，禁止任何小于普朗克长度的距离测量。”

       因此，按照一般的思维，引力子可能只会在宇宙最极端的地方显现，比如大爆炸前后，或者黑洞中心。“黑洞的问题在于，它们是黑色的，所以什么也出不来，”美国芝加哥大学的天体物理学家丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）说，“而量子引力的东西就发生在这个中心——这就太糟糕了。”

       然而，最近发表的几篇论文对这一观点提出了质疑。研究作者认为，引力子可能会在引力波探测器——如激光干涉引力波天文台（LIGO）——中制造可观察到的“噪音”。其中一篇论文的合著者、美国亚利桑那州立大学的宇宙学家莫利克·帕里克（Maulik Parikh）说：“我们发现，时空的量子模糊性会以某种抖动的方式印在物质上。”

       科学家还不清楚目前或未来的引力波天文台是否具备探测这种噪音所需的灵敏度，但这些计算至少在理论上使几乎不可能的事情变得可能。研究人员通过思考引力子如何与探测器整体相互作用，为“引力子噪声”概念提供了坚实的理论基础，并让物理学家向实验证明又迈进了一步。他们希望未来的实验证据能表明，引力遵循量子力学的规则。

       引力波的抖动

莫利克·帕里克、弗兰克·维尔切克和乔治·扎哈里亚德（左起）计算了引力波探测器会如何找到引力子的证据

       戴森在2013年的计算使许多人相信，利用引力波探测器来研究量子引力是不现实的。诺贝尔奖得主、麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）说：“有一种默认的共识是，思考量子效应和引力辐射是在浪费时间。”事实上，直到2015年LIGO发现引力波之前，维尔切克、帕里克和亚利桑那州立大学的宇宙学家乔治·扎哈里亚德（George Zahariade）都没有认真考虑这种可能性。“没有什么比实际的实验结果更能吸引人们的注意力，”维尔切克说道。

       科学家认为，引力子携带引力的方式类似于光子携带电磁力。正如光线可以被描绘成规整的光子集合，引力波作为由剧烈宇宙过程在时空中产生的涟漪，也可以认为是由引力子构成的。考虑到这一点，研究作者提出了一个问题：引力波探测器在原理上能否足够灵敏地观测到引力子？帕里克表示，这就相当于在问，冲浪者如何能仅从波浪的运动来判断它是由水滴构成的？

       与戴森只关注一个引力子的粗略计算不同，研究作者考虑了多个引力子的影响。“我们总是受到布朗运动的启发，”帕里克说道，他指的是流体中微观粒子的随机晃动。爱因斯坦利用布朗运动推导了原子的存在。同样地，许多引力子的集体行为也可能微妙地重塑着引力波。

       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。

　　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。

       在这种情况下，量子引力效应可以被放大到日常世界的实验中，比如LIGO。弗尔林德和加州理工学院的理论物理学家凯瑟琳·楚雷克（Kathryn Zurek）最近提议，可以使用LIGO或其他高灵敏性的干涉仪来观察仪器周围的量子泡沫。

       在全息宇宙中，干涉仪位于被低维度量子表面包裹的高维时空中。表面上所有的微小波动加起来，就会产生一种大到足以被干涉仪探测到的噪声。弗尔林德说：“我们已经证明了量子引力效应不仅仅是由普朗克尺度决定的，还由干涉仪的尺度决定。”

       如果他们关于全息原理的假设成立，引力子噪声就将成为LIGO的实验目标，甚至成为“桌面”实验的目标。2015年，在费米国家加速器实验室，一项名为“全息仪”（Holometer ）的桌面实验开始寻找宇宙是全息图的证据，但被发现存在不足。“当时的理论想法非常原始，”弗尔林德说道，并指出他与楚雷克在论文中的计算是基于自那时以来发展的更深入的全息方法。他认为，如果计算结果能够精确地预测出引力子噪声的“模样”，那它们被发现的几率就会更高——尽管仍然不太可能。

       楚雷克和弗尔林德的方法只有在我们的宇宙是全息的情况下才会起作用，而这是一个远未建立的猜想。楚雷克自己也承认，他们对此的态度“更多的是一种狂野的西部心态。”她说：“这是高风险的，不太可能成功，但管它呢，我们对量子引力的了解太少了。”

       未知的领域

       相比之下，帕里克、维尔切克和扎哈里亚德的计算就建立在很少有异议的物理基础上。“我们做了一个非常保守的计算，几乎可以肯定是正确的，”帕里克说，“本质上，这只是假设存在一种叫做引力子的东西，使引力可以被量化。”

       不过，三位研究者也承认，在确定当前或计划中的引力波探测器能否发现引力子噪声之前，还需要做更多的理论调查工作。帕里克说：“这需要几次幸运的突破。”不仅宇宙中必须存在能产生压缩引力波的来源，而且引力子噪声必须与LIGO已经探测到的其他许多噪声源区分开来。

埃里克·弗尔林德等人提出了一项建议：在时空的真空泡沫中直接寻找引力子的噪声

       “到目前为止，LIGO还没有表现出任何与爱因斯坦广义相对论的预测相违背的物理迹象，”LIGO合作小组的成员丹尼尔·霍尔兹说，“于是我们就回到了开始的地方：广义相对论太神奇了。”不过，他也指出，引力波探测器是我们在宇宙中获得新的基本性发现的最大希望，因为大部分的宇宙“完全没有在地图上标注出来”。

       维尔切克认为，如果研究人员能够理解引力子噪声可能的“模样”，就可以调整引力波探测器来提高发现它的几率。“很自然，人们会一直专注于寻找信号，而没有想到过噪声的有趣特征，”他说，“但如果你有这种想法的话，可能就会设计一些不同的东西。”（霍尔兹指出，LIGO研究人员已经研究了一些可能的宇宙噪声信号）

       尽管仍有挑战，但维尔切克对未来持“谨慎乐观”态度，认为他们的工作将带来可以被实验证实的预测。无论如何，他希望这篇论文能激励其他理论物理学家去研究引力子噪声。

       “基础物理学是一门很难的学科。你可以把整件事写在一件T恤上，但却很难对它做任何补充或改变，”维尔切克说，“我不认为会有直接的结果，但这打开了一扇通向另一世界的新窗口。然后，我们就会看到我们所预测的结果。”