问伊桑:引力波是否表现出波粒二象性?

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现在,LIGO首次发现了引力波的信号,爱因斯坦理论的一部分已经得到证实,并预测空间的整个结构都应该被波纹和波所覆盖。 这就提出了很多有趣的问题,包括以下内容:
引力波是否应该显示出波粒二象性?如果是,那么具有LIGO的物理学家是否已经想出了测试这一点的方法,例如某种带有两个狭缝的实验?

波粒对偶性是我们已知的量子力学最奇怪的结果之一。

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一切都非常简单地开始:物质由粒子,原子及其成分以及波的辐射组成。 粒子是可见的,因为它具有诸如碰撞或反弹,与其他粒子粘在一起,交换能量,结合等特性。 而波可以通过衍射和自身干涉来确定。 牛顿错误地认为光是由微粒组成的,但是其他人,例如惠更斯(他的当代人)和19世纪初期的学者扬和菲涅耳,肯定地表明,光显示出除非您认为它是无法解释的性质,否则就无法解释。浪潮。 其中最明显的是光线通过双缝隙:背景屏幕上的图片显示,光线既在相长干涉(出现亮点)又在相消干涉(出现暗点)。

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干涉是波的性质,因此实验“证明”光是波。 但是在20世纪初,当发现光电效应时,一切都有些混乱。 如果照在特定的材料上,则光会定期敲除电子。 如果使光变红(降低能量)-甚至增加其强度-电子将停止跳动。 但是,如果将其设为蓝色(增加能量),则即使您强烈提高效率,光仍然会击落电子。 不久之后,事实证明,光被量化为光子,各个光子的行为像粒子一样,以正确的能量敲击电子。


低于一定限制,不会发生电离能

在20世纪的过程中,甚至出现了更奇怪的结果:

•单独的光子,一次穿过两个狭缝,会互相干扰,并给出与波相对应的图像。
•作为粒子的电子也表现出干涉和衍射。
•如果您测量光子或电子穿过哪个特定狭缝,则干涉图将不起作用-如果您不进行测量,结果将是干涉图。

看来,我们观察到的每个粒子都可以被描述为波和粒子。 而且,量子物理学认为有必要同时描述这种现象,否则我们将无法获得与实验相符的结果。



我们传递到引力波。 它们非常独特,因为到目前为止,我们仅观察到了它们的波动表现,而没有观察到它们的行为类似于粒子。 但是,就像水波是由粒子组成的一样,引力波也必须由粒子组成。 这些粒子应该是引力子,传递引力,并且由于引力本质上是量子相互作用这一事实而出现。



由于这是一个波,根据观测结果,与正相对论一般预测的一样,我们可以安全地得出结论,它将继续像GR预测的所有波实体一样运转。 在细节上,它们与我们熟悉的其他波略有不同:它们不是标量波(如水上的波),也不是矢量波(如光),其中电场和磁场在其中同相振荡。 这些是张量波,随着波传播,导致空间在垂直方向上收缩和扩展。



在许多方面,这些波的行为均与其他波相同,包括以一定速度在介质中传播(光沿空间的结构速度传播),对空间中的其他波产生结构和破坏性干扰,已经沿表面移动现有的时空曲率,如果可以使这些波经历衍射-也许在绕过像黑洞这样的强大引力源时,它们就会这样做。 此外,众所周知,随着宇宙的膨胀,这些波的行为将与其他所有人一样:与宇宙的背景空间一起伸展和膨胀。



那么问题是如何检查它们的量子部分? 如何寻找引力波的小体性质? 从理论上讲,引力波与上面的动画类似,显示了引力波的可见性是如何由多个绕圆运动的粒子产生的-这些粒子将成为引力子,而产生的波由LIGO记录。 有充分的理由相信我们有引力子,其中:

•旋转2,
•没有质量,
•以光速运动,
•仅通过重力相互作用。

从LIGO获得的引力子质量限制非常好:如果它具有质量,那么它就不会超过1.6 * 10 -22 eV / c 2 ,即比电子轻10 28倍。 但是,除非我们提出一种用引力波测试量子引力的方法,否则我们不知道引力子是否具有波粒对偶性。



尽管LIGO不太可能成功,但有很多机会。 您会看到,在很短的距离内很强的引力场相互作用时,量子引力的影响最为明显。 有没有比观察黑洞融合更好的检查方法? 当两个奇点合并时,这些量子效应(其起始点必须是GRT)出现在合并时,不久之前和之后。 我们需要跟踪以皮秒(而不是LIGO敏感)的微秒或毫秒为单位的时间范围内的现象-但这可能是不可能的。 原则上,我们开发了以飞秒甚至十亿分之一秒(10 -15 s-10 -18 s)为单位的激光脉冲,因此,如果您开始使用大量此类干涉仪,我们有可能组织一种灵敏度来跟踪相对论的微小偏差。 这将需要技术上的巨大飞跃,噪声的显着降低和灵敏度的提高。 但是从技术上讲这不是不可能的-这非常困难!

如果您需要更多信息,我只是录制了一段视频,其中包含有关引力波,LIGO以及我们从中获悉的知识。



我们的主题尤其关注最后一个问题,该问题涉及如何测试引力子的微粒性质,从而完成了宇宙粒子波二元论的图景。 我们相信这将是事实,尽管我们当然不知道。 我希望我们的好奇心能够使我们投资于这些研究,大自然会与我们一起玩乐,我们会发现!

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN401969/


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