引力波|LIGO(激光干涉引力波观测站)可以观测量子引力吗？
赛斌是一位专注量子引力跟高能物理的理论物理学家 ， 也是一名自由科普作者 。
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图：SXS ， 极端时空模拟项目
困难 ， 但并非不可能 。
爱因斯坦的广义相对论（general relativity）预测说：加速中的大质量物体会发射引力波 。 直至上周 ， 在这个预言后的一个世纪 ， LIGO(激光干涉引力波观测站)联合实验室宣布他们首次探测到了引力波 。 不过这仅仅是开始——我们可以期待更多的成果 ， 把爱因斯坦理论的实证研究准确性提升至前所未有的水平 。 LIGO的结果对于那些努力探索量子引力理论的物理学家们意味着什么呢？——广义相对论跟量子引力学之间的关联到底缺失了什么？
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图：T. Pyle/加州理工学院/麻省理工学院/激光干涉引力波观测站实验室.
广义相对论是非量子力学理论 ， 它预言了引力波 ， 但并没有尝试发现与此吻合的引力量子化形态 ， 因此解释引力波的存在不需要量子引力理论 。 但我们都认为量子引力引发了“引力子（gravitons）”——一种量子化的引力波 。 引力子是一种跟引力波相关的粒子 ， 正如光子跟电磁波的关系——粒子是波的一个小小的组成部分 ， 其能量跟波的频率有关 。 广义相对论中关于波自身的特性告诉了我们很多有用的、关于引力子量子形态的信息：引力子没有质量 ， 自旋数=2（光子=1 ， 电子=1/2 ， 泊松粒子=0） ， 以光速传播 。
一束引力波由大量引力子构成 ， 但观测单个引力子却异常困难 ， 这远远超出了我们的实验条件 。 因此LIGO无法观测单个引力子——就像电视天线不能接收单个光子一样：就算存在单个引力子 ， 探测器也无法一一识别这些粒子 ， 亦无法感知如此细小、离散的能量 。 如果引力子存在 ， LIGO虽然能探测它们 ， 但无法逐一分辨未量子化引力波中的大量引力子 。 因此LIGO无法证明引力子的存在 。
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由于目前没有一套完整的量子引力理论 ， 我们无法确定LIGO对解释量子引力是否有帮助 ， 这取决于我们对量子引力的认知 。
大家都认为量子引力的影响在强时空扭曲区域中更明显 。 但在量子引力领域 ， “强扭曲”是指向黑洞中心的扭曲 ， 而非相对较弱的黑洞地平线上的扭曲 。 LIGO观测到黑洞融合无法探明黑洞中心发生了什么 ， 也无法探明强烈的量子引力影响 。
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图：加州理工学院/麻省理工学院/LIGO实验室,LIGO首次观测到引力波信号
一些理论认为黑洞水平线附近的量子引力效果并不微弱 ， 不过尚无定论 。 诸如黑洞毛球、黑洞火墙 ， 黑洞缠绕等物质会影响黑洞水平线 ， 在这些场景中量子引力波动会在光谱喷发时留下印记 ， 能被LIGO或者后续的引力波实验所观测 。
上周一份刊发在arXiv的简报中 ， 加利福尼亚大学芭芭拉分校的斯蒂夫·季定思提供了对于这些问题的概括性思考 。 他认为水平线跟常规黑洞结构的偏离导致引力波信号缺乏典型性 ， 且能量比广义相对论预测的要大 。 现在数据正在搜集中 ， 相信定量分析会随后发布 。
任何跟广义相对论的偏差都能为我们量子化引力给予提示 。 虽然之前无法在地面直接观测引力波 ， 现在的观测能确保我们揭示更多新事实并带来新观点 。
【引力波|LIGO(激光干涉引力波观测站)可以观测量子引力吗？】
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广义相对论对于动态黑洞合并或者引力波传播方式产生的偏差非常敏感 ， 比如公式不成立或者引力子可能有质量 。 因此 ， 双引力、广义相对论的更高维修订、附加长范围的相互作用 ， 或者引力场以太——这些理论将面对附加检验 。 毫无疑问 ， 有些会胜利（可能跟相对论预测的误差很小而被保留） ， 有些会失败 ， 而其中之一将取代爱因斯坦的理论 。
除了黑洞合并 ， LIGO也可能探测一些陌生的、不符合现在标准理论的信息 ， 比如宇宙弦 。 宇宙弦是稳定的 ， 可见的一维物质 ， 有着极高的能量 ， 它们可能诞生于早期宇宙且存在至今 。
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图：Andrey Kravtsov（宇宙论模拟）；B. AllenE.P. Shellard（宇宙弦理论模拟）
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