引力波是否表现出波粒二象性

来源：万象经验

原文：Ethan Siegel

翻译：Eugene

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2016年2月，世界永远地改变了，LIGO合作组织发表了一项革命性的声明，永远地改变了我们对宇宙的看法。在10亿光年之外，两个质量分别为太阳36倍和29倍的巨大黑洞相互碰撞并合并。合并的结果是形成了一个拥有62个太阳质量的黑洞，剩下的3个太阳质量通过爱因斯坦的E = mc²转化为纯能量，以引力波的形式在宇宙中荡起涟漪。

从那时起，LIGO又加入了其他的引力波探测器，比如室女座引力波探测器，它探测到的引力波数量已经上升到三位数。毫无疑问，引力波现在是真实存在的，观测引力波的过程教会了我们很多关于宇宙的知识。但所有这些信息仍然只是探索经典引力理论——广义相对论——所产生的预测。如果量子物理学是正确的，那么波粒二象性必然是真实的，即使对于引力波也是如此。

毫不夸张地说，波粒二象性是迄今为止发现的最奇怪的量子现象之一。关于波和粒子的独立观点一开始很简单：物质是由粒子组成的，而辐射是由波组成的。你能分辨出某个东西是一个粒子，因为这些东西会表现出像其他粒子碰撞和反弹的行为。同样地，你可以判断某物是否是波，因为它会表现出类似波的现象，比如与其他波以及与自身的衍射和干涉。

牛顿对认为光是由粒子组成的，但同时代人的其他人（如惠更斯），以及19世纪初的科学家（如杨、菲涅耳）明确地表明，光所表现出的特性，如果不把它看作波，就无法解释。干涉也许是最明显的波状现象，当光通过双缝时就会出现。这种干涉现象是波状行为的独特产物。

然而，随着光电效应的发现，这两种行为之间的区别在20世纪初变得更加令人困惑。当你把光照射在某种材料上时，偶尔电子会被光“踢出去”。然而，光电效应的实验表明，并不是光的强度把电子踢出去，而是光的特定波长起了作用。

此后不久，我们发现光可以被量子化成光子，如果它们具有正确的能量电离电子。更奇怪的认识出现在20世纪，我们发现单个光子，当你一次一个地让它们穿过双缝时，仍然会相互干涉，产生与波的性质一致的图案。被认为是粒子的电子，也可以表现出这种干涉和衍射模式。然而，如果你测量光子或电子穿过的狭缝，你根本不会得到干涉图样。

似乎我们观察到的每一个粒子都可以被描述为波和粒子。量子物理学给我们的最大启示并不是事物本质上要么是“波”，要么是“粒子”，而是它告诉我们，我们需要将所有物体同时视为波和粒子。如果我们坚持把一种现象100%地看作是“波”或“粒子”，我们根本不会得到与我们的实验一致的结果。

现在，我们终于可以考虑引力波了。就物理学而言，这些波是独特的，因为我们只看到了它们的波状部分，而没有看到它们的粒子部分。这是因为，尽管我们经常假设现实在本质上是量子的，但我们从来没有能够对引力进行测试，以确定它是否表现出这种固有的量子行为。

然而，就像水波是由粒子组成的波一样，我们完全相信引力波也是由粒子组成的。当你看到池塘里的涟漪，海洋里的波浪，你显然是在宏观尺度上观察到一种波状现象。但从微观上看，水是由大量的单个分子组成的，只有从它们的联合运动中，才会出现波状的行为。

对于万有引力，构成引力波的粒子应该是引力子，在所有已知的可以给出引力量子理论的想法下，这种粒子可以调节引力。引力子的出现完全是由于引力在自然界中是一种固有的量子力，正如光由光子组成一样，引力波也应该由引力子组成。

因为它是一种波，而且人们观察到这种波的行为完全符合广义相对论的预测。我们可以有把握地推断，它将继续做广义相对论所预测的所有类似波的事情。在细节上引力波与我们所熟悉的其他波有一点不同：它不是像水波那样的标量波，也不是像光那样的矢量波，相反，它是张量波。当波通过一个区域时，会导致这个区域的空间在相互垂直的方向上变形。

所以真正的问题是，我们如何测试这个想法的“量子”部分？我们如何寻找引力波的“类粒子”性质？你看，量子引力效应最强、最明显的地方是在非常小的距离上有很强的引力场。所以，黑洞合并是探测引力波粒子属性的最好工具。当两个奇点合并在一起时，这些偏离广义相对论的量子效应将在合并的那一刻出现。

实际上，我们正在寻找的是皮秒的时间尺度，而不是LIGO敏感的微秒到毫秒的时间尺度，这将需要引力波实验在时域灵敏度方面取得巨大进步。我们已经开发出在飞秒甚至阿秒时间范围内工作的激光脉冲，因此可以想象，如果我们有足够多的干涉仪同时工作，我们可以探测对相对论的微小偏离。

理论学家仍在计算应该出现的独特量子效应，并与实验学家一起设计量子引力的测试。尽管我们预计引力波会表现出波粒二象性，但在我们探测到它之前，我们无法确切地知道。

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