LIGO找到首个超越广义相对论的证据?

发布时间:2017-1-17 20:56:54 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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LIGO找到首个超越广义相对论的证据?

转自 麻省理工科技评论 原文 LIGO找到首个超越广义相对论的证据?

 

  1915年,爱因斯坦根据简单的原理提出广义相对论,极大地改变了人们的时空观。广义相对论不仅解释了牛顿理论无法解释的现象,还做出许多新奇的预言,诸如引力红移、时间膨胀等都被实验验证。而广义相对论的另一重要预言引力波直到一百多年后的2016年才被LIGO(激光干涉引力波天文台)团队证实。

  或许,LIGO还会给我们带来更多惊喜。来自加拿大圆周理论物理研究所和滑铁卢大学的三位物理学家Jahed Abedi、Hannah Dykaar和Niayesh Afshordi在arXiv发表论文,宣称他们在LIGO数据中找到了首个超越广义相对论的证据!

  证据的基础就是量子引力理论,该理论尝试整合广义相对论和量子力学,来解决物理学无法解释的问题。

  

爱因斯坦的引力相关理论,及解释其他一切的量子物理,是目前已知主导宇宙万物的两个独立理论。

  在继续深入探讨之前,有一个概念必须明确:

  量子引力:是对引力场进行量子化描述的理论,属于万有理论之一。研究方向主要尝试结合广义相对论与量子力学,为当前的物理学尚未解决的问题。当前主流尝试理论有:超弦理论、循环量子引力理论。引力波的发现,为量子引力理论提供了新的佐证。

——维基百科

  追寻量子引力

  广义相对论已经接受了一次次严格的实验检验,但时至今日依然屹立不倒。

  然而,科学家需要量子引力描述更加极端条件下的物理现象。目前,只有两个比较现实的方法搜寻量子引力:

  1、寻找宇宙暴胀时期的信号;

  2、观察黑洞剧烈变化过程中视界附近的效应;

  对于第一种可能性,宇宙泛星系偏振背景成像(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, BICEP2)研究团队几年前曾宣称,探测到早期宇宙引力波所形成的B模偏振,但后来被证实那些信号来自星系中的尘埃。

  

如果量子理论成立,那么引力波只可能在宇宙暴胀期产生

  不过,人们依然有希望探测到真正的信号。

  第二种可能性是搜寻引力波中的量子效应。LIGO已经探测到GW150914和GW151226两次黑洞融合事件中释放的引力波,以及一次疑似黑洞融合事件LVT151012(由于置信度不够不能称作发现,但也是很好的候选者)。

  如今LIGO灵敏度再次升级,科学家也带来了新的想法,黑洞融合事件中或许可以找到量子引力的迹象。

  

LIGO探测到的第一次黑洞融合产生的引力波信号(蓝色)可能经过量子修正(黑色)这可能改变探测器接收到的整体信号(黄色)。

  根据爱因斯坦的理论,黑洞的视界由黑洞的质量、电荷及角动量决定。但某些版本的量子引力理论则给出不同于视界的预测,如果物理学家观察到不同于爱因斯坦预言的现象,或许就能窥见量子引力的面目。

  LIGO信号中的回声

  在LIGO获取的信号中,物理学家根据相对论对数值进行拟合,给出了很好的拟合结果。但如果这些信号中还存在次级的、来源于量子引力的信号,类似的方法应该能够发现它们的踪迹。

  如果量子引力的效应存在,就应该发生在普朗克尺度,对应高达10^19GeV 的能量。这种信号就是Abedi, Dykaar和Afshordi想要寻找的。

  黑洞融合后产生的第一次和第二次回声

  广义相对论在处理黑洞的时候遇到了一些棘手的问题,比如,黑洞视界处是否存在火墙、落入黑洞的信息是否被彻底摧毁?

  为了解决这些问题,一些量子引力理论给出了不同于经典理论的视界。在研究人员的数值模拟中,他们使用“镜面”代替黑洞视界,这样的黑洞如果发生融合会释放引力波。

  但与相对论预言不同的是,黑洞融合的引力波信号也会伴随周期性并逐渐衰减的“回声”(echoes),间隔应该在十分之一左右。

  有趣的是,研究人员用这种方法对LIGO数据进行分析,发现了这些回声的迹象,并且回声间隔也与预期吻合得很好。如果把LIGO发现的所有融合事件考虑都进去,置信度则达到了99.6%(2.9σ)

  但是这个结果还不足以说明量子引力的信号确实存在,因为宣称一个发现需要达到5σ。比如2015年,LHC(大型强子对撞机)曾发现所谓的“750GeV双光子信号”,引发学术界的大量关注,相关的论文超过500篇。

  但随着数据的累积,后被证实只是统计上的波动。

  换句话说,这些回声可能真的来自量子引力,也可能只是无关的干扰,做出决定性的判断需要更多数据。

  

在广义相对论中,引力波应该具有某种特殊的模式与信号。如果某些量子引力模型成立,则爱因斯坦所预测的引力波之上应该还叠加了另外一层信号。

  尚待确认

  德国马克斯普朗克引力物理研究所的Alessandra Buonanno是LIGO团队的一员,他表示,LIGO科学家正在着手分析回声信号。

  Buonanno认为,Afshordi等人使用的模型过于简单,不能对回声的来源给出解释,更加复杂的模型或许可以做出更加精细的预言,比如回声的振幅以及回声衰减的速度。

  在Afshordi等人的论文中,作者坦诚研究的方法并非普适。但无论如何,这个引人注目的结果。因为人们对量子引力知之甚少,检验量子引力的方法也屈指可数。这个新的思路明确地给出一个新的方向,告诉物理学家如何在LIGO信号中寻找新的物理。

  随着LIGO灵敏度的升级,以及未来将会探测到的更多黑洞融合事件,我们将能确认或否定这些理论。

  也许就在的两年之内,我们拭目以待。

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