2016年對(duì)引力波的首次探測(cè)為愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論提供了一次決定性的確認(rèn)。然而另一個(gè)令人震驚的預(yù)言仍未得到證實(shí)。據(jù)悉，根據(jù)廣義相對(duì)論，每個(gè)引力波都應(yīng)該在時(shí)空結(jié)構(gòu)上留下不可磨滅的印記，它應(yīng)該會(huì)永久地扭曲空間，甚至在波過(guò)后還會(huì)讓引力波探測(cè)器的鏡面發(fā)生位移。
自從六年前的首次探測(cè)以來(lái)，物理學(xué)家們一直在試圖弄清楚如何測(cè)量這種所謂的“記憶效應(yīng)”。
來(lái)自澳大利亞莫納什大學(xué)的天體物理學(xué)家Paul Lasky指出：“記憶效應(yīng)絕對(duì)是一種奇怪、奇特的現(xiàn)象。這是非常深刻的東西。”'
Lasky他們的目標(biāo)更廣泛，不僅僅是瞥見(jiàn)一個(gè)經(jīng)過(guò)的引力波留下的永久性時(shí)空傷痕。他們希望通過(guò)探索物質(zhì)、能量和時(shí)空之間的聯(lián)系能更好地理解霍金的黑洞信息悖論。該悖論在過(guò)去五十年中一直是理論研究的主要焦點(diǎn)?！坝洃浶?yīng)和時(shí)空對(duì)稱性之間存在著密切的聯(lián)系。它最終與黑洞中的信息損失有關(guān)，這是空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)中一個(gè)非常深刻的問(wèn)題，”來(lái)自加利福尼亞理工學(xué)院的物理學(xué)家Kip Thorne說(shuō)道。他在引力波方面的工作使他獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一部分。
時(shí)空的傷痕
為什么引力波會(huì)永久地改變時(shí)空的結(jié)構(gòu)？這要?dú)w結(jié)于廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)空和能量的密切聯(lián)系。
首先要考慮當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)引力波探測(cè)器時(shí)會(huì)發(fā)生什么。激光干涉儀引力波觀測(cè)站(LIGO)有兩個(gè)臂膀，呈L形。如果想象一個(gè)環(huán)繞著兩臂的圓，圓心位于兩臂的交匯處，那么引力波會(huì)將周期性地扭曲這個(gè)圓，垂直擠壓，然后水平擠壓，就這樣交替進(jìn)行，一直到波通過(guò)。兩臂之間的長(zhǎng)度差將振蕩--這種行為揭示了圓的扭曲以及引力波的通過(guò)。
根據(jù)記憶效應(yīng)，在波通過(guò)后，圓應(yīng)該保持永久變形的微小數(shù)量。其原因跟廣義相對(duì)論所描述的引力的特殊性有關(guān)。
LIGO探測(cè)到的物體距離很遠(yuǎn)，它們的引力弱得則可以忽略不計(jì)。但引力波的范圍比引力波要長(zhǎng)。因此負(fù)責(zé)記憶效應(yīng)的屬性也是如此：引力勢(shì)。
用簡(jiǎn)單的牛頓術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，引力是衡量一個(gè)物體如果從某個(gè)高度墜落會(huì)獲得多少能量。把一個(gè)鐵砧扔下懸崖，鐵砧在底部的速度可以用來(lái)重建掉下懸崖所能帶來(lái)的“勢(shì)”能。
但在廣義相對(duì)論中，時(shí)空根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)在不同的方向上被拉伸和擠壓，勢(shì)能決定的不僅僅是某個(gè)位置的勢(shì)能--它還決定了時(shí)空的形狀。
“記憶只不過(guò)是引力勢(shì)的變化，”Thorne說(shuō)道，“但這是一個(gè)相對(duì)論的引力勢(shì)?！币粋€(gè)經(jīng)過(guò)的引力波的能量產(chǎn)生了引力勢(shì)的變化，這種勢(shì)的變化扭曲了時(shí)空，甚至在波過(guò)后也是如此。
那一個(gè)經(jīng)過(guò)的波會(huì)究竟是如何扭曲時(shí)空的？可能性簡(jiǎn)直是無(wú)限的，并且令人費(fèi)解的是，這些可能性也是相互等價(jià)的。以這種方式，時(shí)空就像一個(gè)無(wú)限的博格游戲。經(jīng)典的博格游戲有16個(gè)六面骰子，排列在一個(gè)四乘四的網(wǎng)格中，每個(gè)骰子的每一面都有一個(gè)字母。每次玩家搖動(dòng)網(wǎng)格，骰子就會(huì)嘩啦啦地響并形成一個(gè)新的字母排列。大多數(shù)配置是可以相互區(qū)分的，但在更大的意義上，所有的配置都是相等的。它們都是在骰子可能處于的最低能量狀態(tài)下靜止的。當(dāng)一個(gè)引力波通過(guò)時(shí)，它搖動(dòng)了宇宙的博格板，從而將時(shí)空從一個(gè)古怪的配置改變到另一個(gè)。但時(shí)空仍處于最低能量狀態(tài)。
超級(jí)對(duì)稱性
這一特點(diǎn)--你可以改變棋盤，但最終事情從根本上保持不變--表明時(shí)空結(jié)構(gòu)中存在著隱藏的對(duì)稱性。在過(guò)去十年時(shí)間中，物理學(xué)家們明確地提出了這種聯(lián)系。
故事要追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)四位物理學(xué)家想更好地理解廣義相對(duì)論。他們想知道，在一個(gè)離宇宙中所有質(zhì)量和能量無(wú)限遠(yuǎn)的假設(shè)區(qū)域會(huì)發(fā)生什么，那里的引力可以被忽略，但引力輻射卻不能被忽略。他們首先研究了這個(gè)區(qū)域所遵守的對(duì)稱性。
他們已經(jīng)知道根據(jù)狹義相對(duì)論的世界的對(duì)稱性，其中時(shí)空是平坦的，沒(méi)有特征。在這樣一個(gè)光滑的世界里，無(wú)論你在哪里你面對(duì)的是哪個(gè)方向以及你移動(dòng)的速度，一切看起來(lái)都一樣。這些特性分別對(duì)應(yīng)于平移、旋轉(zhuǎn)和升力對(duì)稱性。物理學(xué)家們預(yù)計(jì)，在離宇宙中所有物質(zhì)無(wú)限遠(yuǎn)的地方，在一個(gè)被稱為“漸進(jìn)平坦”的區(qū)域，這些簡(jiǎn)單的對(duì)稱性會(huì)重新出現(xiàn)。
令他們驚訝的是，除了預(yù)期的對(duì)稱性之外，他們還發(fā)現(xiàn)了一套無(wú)限的對(duì)稱性。新的“超級(jí)翻譯”對(duì)稱表明，時(shí)空的個(gè)別部分可以被拉伸、擠壓和剪切，而在這個(gè)無(wú)限遙遠(yuǎn)的區(qū)域的行為將保持不變。
20世紀(jì)80年代，賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理學(xué)家Abhay Ashtekar發(fā)現(xiàn)，記憶效應(yīng)是這些對(duì)稱性的物理表現(xiàn)。換言之，一個(gè)超級(jí)翻譯正是會(huì)導(dǎo)致博格宇宙選擇一種新的但等價(jià)的方式來(lái)扭曲時(shí)空。
他的工作將宇宙中一個(gè)假設(shè)區(qū)域的這些抽象的對(duì)稱性跟真實(shí)的效果聯(lián)系起來(lái)?！皩?duì)我來(lái)說(shuō)，這就是測(cè)量記憶效應(yīng)的令人興奮之處--它只是證明了這些對(duì)稱性確實(shí)是物理性的，”來(lái)自維也納科技大學(xué)的物理學(xué)家Laura Donnay指出，“即使是非常優(yōu)秀的物理學(xué)家也不完全掌握它們以非微觀的方式發(fā)揮作用并給你帶來(lái)物理效應(yīng)。而記憶效應(yīng)就是其中之一?！?/p>
探尋悖論
博格游戲的重點(diǎn)是搜索網(wǎng)格上看似隨機(jī)的字母排列以找到單詞。每一個(gè)新的配置都隱藏著新的單詞，因此也隱藏著新的信息。
跟博格游戲一樣，時(shí)空也有可能儲(chǔ)存信息，這可能是解決黑洞信息悖論的關(guān)鍵。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)悖論是這樣的：信息不能被創(chuàng)造或銷毀。那么在粒子落入黑洞并作為無(wú)信息的霍金輻射重新釋放后，有關(guān)粒子的信息去了哪里？
2016年，哈佛大學(xué)的物理學(xué)家Andrew Strominger與Stephen Hawking及Malcolm Perry一起意識(shí)到，黑洞的地平線具有跟漸近平坦空間中的超翻譯對(duì)稱性。而根據(jù)跟之前相同的邏輯則會(huì)有一個(gè)伴隨的記憶效應(yīng)。這意味著墜落的粒子可以改變黑洞附近的時(shí)空，從而改變其信息內(nèi)容。這為信息悖論提供了一個(gè)可能的解決方案。粒子屬性的知識(shí)并沒(méi)有丟失--它被永久地編碼在時(shí)空結(jié)構(gòu)中。
普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)家Sabrina Pasterski說(shuō)道：“你可以說(shuō)一些關(guān)于黑洞蒸發(fā)的有趣的事實(shí)是非常酷的。該框架的起點(diǎn)已經(jīng)有了有趣的結(jié)果。而現(xiàn)在我們正在把這個(gè)框架推得更遠(yuǎn)。”
Pasterski和其他人已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)新的研究計(jì)劃，他們將關(guān)于引力和其他物理學(xué)領(lǐng)域的聲明跟這些無(wú)限對(duì)稱性聯(lián)系起來(lái)。在追尋這些聯(lián)系的過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)了新的、奇特的記憶效應(yīng)。Pasterski在一組不同的對(duì)稱性和自旋記憶效應(yīng)之間建立了聯(lián)系，即時(shí)空因攜帶角動(dòng)量的引力波而變得彎曲和扭曲。
機(jī)器中的幽靈
LIGO的科學(xué)家還沒(méi)有看到記憶效應(yīng)的證據(jù)。引力波對(duì)LIGO鏡子之間距離的改變是微不足道的--約是質(zhì)子寬度的千分之一--而記憶效應(yīng)則被預(yù)測(cè)為小20倍。
LIGO被放置在我們這個(gè)嘈雜的星球上，這使得問(wèn)題進(jìn)一步惡化。低頻地震噪聲模仿了記憶效應(yīng)在鏡面位置的長(zhǎng)期變化，因此從噪聲中分離出信號(hào)是一件非常棘手的事情。
地球的引力也傾向于將LIGO的鏡面恢復(fù)到它們的原始位置并消除其記憶。因此，即使時(shí)空的結(jié)點(diǎn)是永久性的，但鏡面位置的變化--它使我們能夠測(cè)量結(jié)點(diǎn)--卻不是。研究人員將需要在引力有時(shí)間將鏡面拉回之前測(cè)量記憶效應(yīng)所造成的鏡面位移。
雖然檢測(cè)由單一引力波引起的記憶效應(yīng)在目前的技術(shù)中是不可行的，但像Lasky和伯明翰大學(xué)的Patricia Schmidt這樣的天體物理學(xué)家已經(jīng)想出了巧妙的變通辦法。Lasky表示：“你能做的是有效地堆積來(lái)自多個(gè)合并的信號(hào)，以一種非常嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)學(xué)方式積累證據(jù)?！?/p>
Lasky和Schmidt各自預(yù)測(cè)，他們將需要超過(guò)1000個(gè)引力波事件來(lái)積累足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以確認(rèn)他們已經(jīng)看到了記憶效應(yīng)。隨著LIGO的不斷改進(jìn)以及意大利的VIRGO探測(cè)器和日本的KAGRA的貢獻(xiàn)，Lasky認(rèn)為達(dá)到1000次探測(cè)是在短短幾年內(nèi)。
“這是一個(gè)如此特別的預(yù)測(cè)，看看它是否真的是真的，這相當(dāng)令人興奮，”Schmidt說(shuō)道。
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