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，在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。