LIGO已經(jīng)兩次探測(cè)到愛(ài)因斯坦100年前預(yù)言的引力波了，這也引起了一個(gè)有趣的問(wèn)題：“引力波具有波粒二象性嗎？如果有，物理學(xué)家要用什么方法驗(yàn)證，比如雙縫實(shí)驗(yàn)？”
故事還得從波粒二象性說(shuō)起，它是量子力學(xué)最令人驚異的結(jié)果之一。
圖一：1803年，托馬斯·楊在皇家學(xué)會(huì)呈現(xiàn)他的研究成果。（Wikimedia Commons）
物質(zhì)是由粒子組成的，比如原子以及它們成分，輻射則是由波組成的。如果某樣?xùn)|西是粒子，我們只要觀察它是否會(huì)與其它粒子碰撞和反彈、交換能量、束縛在一起等等就可以知道。而如果是波，那么它就會(huì)發(fā)生干涉和衍射。牛頓認(rèn)為，光是由微粒構(gòu)成的；但其他人比如惠更斯以及楊和菲涅爾發(fā)現(xiàn)光的行為像波。關(guān)于光是波動(dòng)的，最有說(shuō)服力的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是雙縫實(shí)驗(yàn)（圖一）。當(dāng)光通過(guò)一個(gè)雙縫時(shí)，由于光的波動(dòng)性質(zhì)，會(huì)使得光束相互干涉，在探測(cè)屏幕上會(huì)顯示明亮條紋（相長(zhǎng)干涉）和暗淡條紋（相消干涉）相間的圖案。
圖二：當(dāng)粒子足夠多的時(shí)候就可以明顯看到干涉圖案，即使它們是一個(gè)接一個(gè)通過(guò)雙縫。（Wikimedia Commons）
干涉是波獨(dú)有的特征，所以這就“證明”了光是波動(dòng)的。但是，在20世紀(jì)初的時(shí)候，由于光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，事情越發(fā)的有趣又神秘。當(dāng)你把光照射在某種特定的材料時(shí)，偶爾會(huì)有一些電子被光“踢”出來(lái)。如果光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)（因此能量較低），無(wú)論入射光多強(qiáng)，也不會(huì)有任何的電子會(huì)被踢出來(lái)。但如果使用藍(lán)光（因此能量較高），即使光的強(qiáng)度很低，也總會(huì)觀察到被光踢出來(lái)的電子。最后，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)光其實(shí)是量子化的，由光子組成，每個(gè)光子表現(xiàn)的像粒子，因此只要使用適當(dāng)?shù)哪芰烤涂梢詫㈦娮与婋x。愛(ài)因斯坦也因“光電效應(yīng)”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
圖三：能量低于某個(gè)閾值時(shí)，就不會(huì)看到電離的發(fā)生；一旦超過(guò)某個(gè)閾值，就會(huì)產(chǎn)生店里；光子的能量越高電子的速度就越快。（Wikimedia Commons）
緊接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)更加令人印象深刻：
將單個(gè)光子依次射入雙縫，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們也會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，跟波的性質(zhì)完全一樣；
電子，已知是粒子，也會(huì)產(chǎn)生干涉和衍射圖案；
一旦你想監(jiān)視光子或電子是從哪個(gè)狹縫通過(guò)，你就不會(huì)觀測(cè)到干涉圖案。
所有我們已知的粒子都可以用波或粒子來(lái)描述。此外，量子物理告訴我們?cè)谀承┣闆r下我們需要把它們同時(shí)當(dāng)做波和粒子看待，否則就無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
嗯，這就是量子力學(xué)，當(dāng)年小編剛接觸波粒二象性的時(shí)候簡(jiǎn)直被這種奇妙的性質(zhì)深深地吸引但也同時(shí)感到很困惑。如果想更深入的了解，強(qiáng)烈建議閱讀《費(fèi)恩曼物理學(xué)講義》第三卷的前面兩章。
圖四：左列和右列分別是LIGO在兩個(gè)不同地點(diǎn)的探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)。（B.P.Abbott et al.）
現(xiàn)在我們回到引力波的問(wèn)題上。目前我們只觀測(cè)到過(guò)它波的一面，并沒(méi)有觀測(cè)到它粒子的一面。但是，就像水波一樣是由粒子組成的波一樣，我們也完全期待引力波是由粒子組成的，只不過(guò)組成引力波的是引力子（而不是水分子）。從量子物理學(xué)中我們知道基本相互作用都是由量子交換產(chǎn)生的，比如電磁力是由交換光子而產(chǎn)生的，所以理論上引力之間的傳遞也是由交換引力子而產(chǎn)的。
圖五（Dave Whyte of Bees & Bombs）
因?yàn)樗遣?，也因?yàn)橛^測(cè)到的這些波跟廣義相對(duì)論的預(yù)言完全一致，包括旋進(jìn)（inspiral）、合并(merger)和鈴宕（ringdown）的三個(gè)過(guò)程的波形，因此我們有把握它會(huì)完全表現(xiàn)出廣義相對(duì)論預(yù)言的所有波的行為。引力波和其它我們熟知的波在細(xì)節(jié)上有點(diǎn)區(qū)別：它們不是標(biāo)量波（比如水波），也不是矢量波（比如光，振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)）。引力波是張量波，當(dāng)它經(jīng)過(guò)某個(gè)空間區(qū)域的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致空間在豎直方向的收縮和細(xì)化。
引力波跟所有其它波能做的事情一樣，包括它們會(huì)以一定的速度在介質(zhì)中傳播；它們也會(huì)與空間中的其它漣漪進(jìn)行相長(zhǎng)或相消干涉；如果條件適合它們也會(huì)產(chǎn)生衍射，比如在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)一個(gè)強(qiáng)引力場(chǎng)的黑洞。此外，由于宇宙的膨脹，引力波也會(huì)跟其它的波一樣，隨著空間的膨脹它們也會(huì)被拉伸。
隨著空間膨脹，引力波也會(huì)被拉伸。（E.Siegel）
所以，現(xiàn)在真正的問(wèn)題是，物理學(xué)家要怎么試驗(yàn)引力波的量子性質(zhì)？要如何尋找引力波的“粒子”行為呢？理論上，引力波看起來(lái)就跟圖五顯示的一樣，表現(xiàn)波其實(shí)是由許多粒子在繞來(lái)繞去組成的：那些粒子就是引力子，而表現(xiàn)波就是LIGO探測(cè)到的。我們完全有理由期待我們手上有一系列的引力子，那就是：
自旋為2的粒子，
沒(méi)有質(zhì)量，
以光速傳播，
只通過(guò)引力進(jìn)行相互作用。
LIGO對(duì)第二項(xiàng)——沒(méi)有質(zhì)量——有很好的限制：如果引力子有質(zhì)量，那么它小于1.6 × 10^-22 eV/c2，或者說(shuō)比電子輕10^28倍。但是，在我們找到一個(gè)利用引力波來(lái)試驗(yàn)量子引力的方法之前，我們無(wú)法知道波粒二象性的“粒子”行為是否適用于引力子。
事實(shí)上，我們的確有機(jī)會(huì)觀測(cè)到該現(xiàn)象，盡管LIGO不太可能會(huì)在這方面成功。如果有一個(gè)非常強(qiáng)的引力場(chǎng)在一個(gè)非常小的距離，這個(gè)時(shí)候量子引力效應(yīng)最強(qiáng)以及最為顯著。而合并的黑洞是觀測(cè)量子引力效應(yīng)的最佳選擇。當(dāng)兩個(gè)奇點(diǎn)合并在一起，這些量子效應(yīng)會(huì)在合并的那刻顯現(xiàn)，也就是正好在旋進(jìn)結(jié)束和鈴宕開(kāi)始之前的狀態(tài)。現(xiàn)實(shí)來(lái)講，我們想找的信號(hào)是皮秒級(jí)的，而不是LIGO所擅長(zhǎng)的微妙到毫秒級(jí)別，但這并不意味著不可能?，F(xiàn)代的激光脈沖已經(jīng)可以在飛秒（10^-15）和阿托秒（10^-18）時(shí)域內(nèi)運(yùn)作，所以如果我們有足夠的干涉儀同時(shí)工作，或許可以觀測(cè)到蛛絲馬跡。這需要在技術(shù)上有一個(gè)飛躍的進(jìn)步，包括大量的干涉儀，噪聲的顯著減小以及靈敏度的增加。這并不是技術(shù)上不可行的，只是技術(shù)上困難的！
不管怎么說(shuō)，引力波的發(fā)現(xiàn)只是開(kāi)始，我們希望未來(lái)對(duì)它的深入研究能夠發(fā)現(xiàn)更多被隱藏的秘密，終有一天我們會(huì)找一個(gè)量子引力理論來(lái)解釋這一切。
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