量子引力和原初引力波“两大疑难”

引力波能否展示现实世界的量子性质？爱因斯坦广义相对论其中之一的预测就是引力波，时空好像编织物的纤维，通过物质和能量的作用产生了弯曲效果，在宇宙中加速运动的物体产生了时空纤维的涟漪——引力波。爱因斯坦的引力概念仍在经典物理描绘的范畴，时空是连续的，而不是间断、离散的实体。引力理论在非常微小的距离和非常大尺度的场域失效了，得不出一个有意义的方程解，对于固有的量子学体系而言，没有一种方法解出了引力场的大小，好像一个电子同时穿越了两道缝隙。科学家在某种层面上充分期待引力以量子化的状态表现出来，迄今没有发现任何实验的证据，但最近LIGO合作团队直接探测到了引力波，科学家有理由相信引力波的存在第一次以引力的量子态呈现出来，引力是具有量子特性的作用力。

任何在引力场中加速运动的物质都将产生引力波，这是引力的能量形态，引力波以光速在时空中传播。自从爱因斯坦去世以来，科学家花费了六十年的时间，第一次找到了引力波存在的间接证据，主要的原因在于探测的条件，科学家在难以置信的高强度引力场探测引力波，两个彼此靠近的大质量物体在加速度运动中产生了天体行为的明显变化，但体积最小、物质密度最高、最紧凑的天体通常只有黑洞和中子星，这些天体事实上不能或难以发射光波，观测它们的存在十分困难，对从天体的加速运动中产生引力波的检测尤其艰难。

谢天谢地，中子星一类的脉冲星实际上是可见的，当脉冲星旋转时，从旋转轴的两极发出了射电波，脉冲星是宇宙中最精准的时钟，但在双中子星、双黑洞相互绕转的情形中，绕转轨道向内发生了塌缩，由于引力波辐射带走了能量，双天体的轨道发生了衰减。上个世纪的70到80年代，天体物理学家第一次对引力波做出了间接的探测，两颗绕转脉冲星轨道的衰减非常精确地符合广义相对论的预测，但直到2016年2月，LIGO国际合作团队发布了引力波的消息，真正和毫不含糊地证实了相对论范畴的引力波现象。

两个黑洞相互合并，事件发生在距离地球13亿光年的遥远地点，相当于3个太阳质量的物质转化为巨大的引力波能量，黑洞合并产生了引力波，在宇宙中以光速穿越，科学家通过华盛顿州和路易斯安那州的两个LIGO探测器“抓取”了引力波信号，而引力波以极小的时间差先后压缩和拉伸了探测器激光臂的“线长”，激光束长度的变化值不到一个质子直径的百分之一，直接探测的结果明确无误地告诉人们，引力波事实上是穿行在宇宙的涟漪。

在引力理论的量子版本解释中，引力波实际上由大数量的量子粒子构成，物理学家将它们称为引力子，好像人们看得见的光由光子形态的量子粒子构成，人们不知道如何直接地探测引力子。引力波的产生还有宇宙概念的地点和时间，引力波起源在本质上完全是量子态的，天体物理学家称之为宇宙暴涨期引力波，在宇宙诞生的大爆炸时刻之前，可以推测引力的量子涨落效应已经发生，人们对宇宙诞生之前的状态几乎一无所知，时空在暴涨过程中以几何级数膨胀，所有时空的量子涨落在整个的宇宙暴涨过程中伸展，包括引力场的量子涨落，在涨落或标量场涨落中，在某些太空区域出现了过密的质能分布，在某些太空区域出现了欠密的质能分布，在时间进程中，不均衡的物质和能量分布促成了星系，星系群和星系团的产生。涨落或张量场的涨落则导致了引力波的产生。

与宇宙中光子发生相互作用的涨落有非常特别的样式，原则上可以测量到光的偏振样式在，事实上，当宇宙暴涨的引力波超过了特定的数量级时，可以在宇宙微波背景辐射中检测到光的偏振信号。宇宙微波背景是从宇宙大爆炸中遗存的余晖，科学家乐观地估计，在今后的20年，可能在宇宙微波背景辐射中探测到光的偏振样式。

BICEP2 国际合作团队在两年前宣称，他们探测到了原初引力波的信号，而后续的观测结果推翻了他们的错误发现，但在一系列未来的实验中，科学家可能将探测器的灵敏度提高到相当于BICEP2的100倍，如果真能提出宇宙暴涨中引力波信号存在的证据，那么这种引力波信号与LIGO国际合作团队探测到的将会非常不同，这种引力波信号有量子化的起源特征，它们不能通过广义相对论的方式得以产生，这是BICEP2, POLARBEAR, SPTPOL与 SPIDER和LIGO的检测为什么不同的原因。

如果某种类型的宇宙暴涨产生了数量级太小的引力波，那么对引力波预测的检测可能导致失败，也许有成功的机会，如果原初的引力波确实存在，它将是原初性、根本性的引力波信号，在起源的意义上获得了固有的量子属性，如何证明引力终究落入量子理论的解释范围，科学家希望发现真正量子化或更为基础性的引力理论。引力实际上是基本的量子力之一，科学家期待巨大的理论突破，LIGO的实验仪器不足以帮助人们实现引力量子化的突破，LIGO探测器也不适合搜索宇宙的原初引力波。LIGO国际合作团队第一次发现了引力波，各路媒体纷纷发布了这一重大的科学发现。LIGO合作团队的发现至少证明了引力波现象的真实存在，这一发现只是开始，“引力波物理学”将给人们带来更多的惊喜。

（编译：2016-3-13）