引力波是否表现出波粒二象性？

2016 年 2 月，世界发生了永久性的改变，当时 LIGO 合作组织宣布了一项革命性的消息，彻底改变了我们对宇宙的看法。距离我们超过十亿光年，两个质量分别为 36 倍和 29 倍太阳质量的巨大黑洞相互吸积并合并。合并后形成的是一个质量为 62 倍太阳质量的黑洞，其余 3 倍太阳质量则通过爱因斯坦的E = mc²转化为纯能量，以引力波的形式在整个宇宙中传播。从此再没有人能够怀疑引力波的物理真实性，其中包括以下事实：

· 它们是如何生产的，

· 它们毫无疑问地在整个宇宙中携带着能量，

· 并且它们的运动速度为理论预测的速度c，也就是真空中的光速。

从那时起，LIGO 就加入了 Virgo 等其他引力波探测器的行列，探测次数已上升到三位数，并见证了中子星合并和黑洞合并，探测到的物体质量范围几乎翻了 100 倍。引力波现在无疑是真实存在的，观测引力波的过程让我们对宇宙有了大量的了解。但所有这些信息仍然只是探索了我们经典引力理论——广义相对论的预测。

如果量子物理学是正确的，那么波粒二象性就一定是真实存在的，即使对于引力波也是如此。

该图可追溯到 19 世纪初托马斯·杨 (Thomas Young) 的作品，是展示从 A 点和 B 点的波源产生的相长干涉和相消干涉的最古老的图像之一。该图与双缝实验的物理设置完全相同，尽管它同样适用于通过水槽传播的水波。

毫不夸张地说，波粒二象性是迄今为止发现的最奇怪的量子现象之一。波和粒子的独立概念最初很简单：物质由粒子组成，比如原子及其成分，而辐射由波组成。你可以判断某个东西是粒子，因为那些东西会表现出碰撞和与其他粒子反弹的行为，有时它们会粘在一起形成复合粒子，碰撞的粒子经常会交换能量和动量，有时它们可以产生导致其他粒子发射的束缚态等等。

类似地，你可以判断某种东西是否是波，因为它会表现出波状现象，例如衍射和干涉，既与其他波发生干涉，也与自身发生干涉。牛顿对光的认识是片面的，他认为光是由粒子组成的，但其他人，如惠更斯（他的同时代人）以及 19 世纪早期的科学家，如杨、菲涅尔和阿拉戈明确地表明，光表现出的属性如果不将其视为波，就无法解释。

干涉可能是所有波状现象中最明显的一种，当光线穿过双缝时就会出现干涉。背景屏幕上显示的图案表明光线既发生建设性干涉（导致亮点），又发生破坏性干涉（导致暗点）。

电子一次穿过双缝时的波形。如果你测量电子穿过“哪条缝”，就会破坏此处显示的量子干涉图样。然而，只要电子的德布罗意波长小于它们穿过的缝隙的尺寸，波状行为就会保持。这种波状和粒子状行为已在电子、光子甚至更大的复合实体中得到证实。

这种干涉现象是波状行为的独特产物。双缝实验以及随后更复杂的类似实验证实了光是一种波。到 19 世纪末，人们已经很清楚地认识到，有些东西表现出波状特性，如光、声音和流体，而另一些东西则表现出粒子状特性。

然而，随着光电效应的发现，这两种行为之间的区别在 20 世纪初变得更加混乱。当你用光照射某种材料时，偶尔会有电子被光“踢出”。

然而，光电效应的详细原理表明，激发电子的不是光的累积能量（或强度），而是光的特定波长（或能量）成分。如果你让激发电子的光比特定阈值更红（因此能量更低）——即使你让光照射任意长的时间，光也不会激发任何电子。但是，如果你让光比同一特定“电离”阈值更蓝（即能量更高的光），即使你将强度调低，你仍然会激发电子。此后不久，我们发现光被量化为光子，即使是单个光子也可以像粒子一样电离电子（如果它们的能量合适的话）。

该图显示了锌原子中电子的能量与光子能量的关系，表明在特定频率（或能量）以下，锌原子不会发射出任何光子。这与强度无关。但是，在特定能量阈值以上（波长足够短），光子总会发射出电子。随着电离光子能量的不断增加，电子会以越来越快的速度被弹射出去。

到了 20 世纪，我们发现了更奇怪的事实：

· 当单个光子逐个穿过双缝时，它们仍然会发生自身干涉，产生与波的性质一致的图案。

· 电子被认为是粒子，也表现出这种干涉和衍射图案。

· 复合粒子，甚至是微小的生物体，在通过双缝时都会发生相互干扰。

· 然而，如果你测量光子或电子穿过了哪个狭缝，你根本就得不到干涉图样。只有你不进行测量，你才会得到干涉图样。

似乎我们观察到的每一个粒子都可以被描述为波和粒子。量子物理学的重大教训不是事物本质上要么是“波”要么是“粒子”，而是它告诉我们，我们需要将所有物体视为波和粒子，这取决于所考虑场景的物理环境。如果我们坚持将一种现象 100% 的时间都视为“波”或“粒子”，我们根本无法得到与实验一致的结果。

引力波事件 GW190521 的信号，当时所有三个活跃的引力波探测器都看到了它：LIGO 汉福德、LIGO 利文斯顿和 Virgo。整个信号持续时间仅为约 13 毫秒，但代表了通过爱因斯坦的 E = mc² 转换为纯能量的 8 个太阳质量的能量。这是有史以来直接观测到的最大质量黑洞-黑洞合并之一。原始数据和理论预测都显示在前 3 个面板中，它们的匹配程度令人难以置信，清楚地显示了波浪状图案的存在。

现在，我们终于可以开始考虑引力波了。就物理学而言，引力波是独一无二的，因为我们只看到了它们波状的部分，从未看到过粒子部分。这是因为，尽管我们经常假设现实本质上是量子的，但我们从未能够对引力进行测试，以确定它是否表现出这种固有的量子行为。

然而，就像水波是由粒子组成的波一样，我们完全可以预料到引力波也是由粒子组成的。当你看到池塘里的涟漪、海洋里的波浪，或者跳进游泳池的人溅起的水花时，你显然是在宏观上观察一种类似波浪的现象。但从微观上讲，水是由单个分子组成的，它们数量巨大，而且相互作用。只有从它们的综合运动中，所有的运动加在一起，才能出现类似波浪的行为。

对于引力，组成引力波（与水波相反）的粒子应该是引力子（而不是水分子），在所有已知的可以给出引力量子理论的理论下，引力子是传递引力的粒子。引力是自然界固有的量子力，因此引力子完全可以作为引力的结果出现，正如光由光子组成一样，引力波也应该由引力子组成。

一系列沿圆形路径移动的粒子似乎可以产生宏观的波浪幻觉。同样，以特定模式移动的单个水分子可以产生宏观水波，单个光子可以产生我们感知为光波的现象，而我们看到的引力波很可能是由组成它们的单个量子粒子构成的。（

因为它是一种波，而且人们观察到这种波的行为与广义相对论的预测完全一致，其中包括：

· 在螺旋阶段，

· 在合并阶段，以及

· 在振铃阶段，

我们可以放心地推断，它将继续产生广义相对论所预测的所有波状现象。它们在细节上与我们习惯的其他波略有不同：它们不是像水波那样的标量波，也不是像光那样的矢量波，光中存在同相、振荡的电场和磁场。

相反，这些是张量波，当波穿过该区域时，会导致空间在相互垂直的方向上收缩和稀薄，如下面的可视化图像所示。

这些波浪与任何类型的波浪都有很多相同的作用，包括

· 它们以特定的速度通过介质传播（光速，通过空间结构本身），

· 它们会以建设性和破坏性的方式干扰空间中的任何其他涟漪，

· 这些波“骑”在已经存在的其他时空曲率之上，

· 如果有某种方法可以使这些波发生衍射——比如通过绕过黑洞等强引力源——它们就会发生衍射。

此外，随着宇宙的膨胀，我们知道这些波将会做膨胀宇宙中所有波所做的事——随着宇宙背景空间的膨胀而伸展和膨胀。

随着宇宙结构的膨胀，任何存在的辐射波长都会被拉长。这既适用于引力波，也适用于电磁波；随着宇宙的膨胀，任何形式的辐射的波长都会被拉长（并损失能量）。当我们观察任何在膨胀的宇宙中传播了很长时间的辐射时，到达的辐射，无论是电磁辐射还是引力辐射，都会被拉长到更长的波长和更低的能量。

那么，真正的问题是，我们如何检验这一想法的“量子”部分？我们如何寻找引力波的“粒子”性质？

理论上，引力波类似于之前的图像，该图像显示了由许多移动的粒子产生的表观波，而这些粒子就是引力子，整体表观波是 LIGO 探测到的。我们有充分的理由期待存在一种引力子，而且它具有以下性质：

· 自旋为 2 ，

· 没有质量，

· 以光速传播，

· 并且只能通过引力相互作用。

LIGO 对引力子第二个属性（无质量）的约束非常好：如果引力子确实有质量，则其质量小于 1.6 x 10^-22 eV/c²，或比电子轻约 10²⁸ 倍。但除非我们找到一种使用引力波测试量子引力的方法，否则我们无法知道波粒二象性的“粒子”部分是否适用于引力子。

虽然 LIGO 和其他引力波观测站不太可能在目前的状态下进行任何测试，但实际上还是有不少机会进行此类测试的。量子引力效应在距离极小的地方有强引力场时最强烈、最明显。除了合并黑洞，还有什么更好的工具可以探测这种状态呢？

当两个奇点合并在一起时，这些量子效应（应该与广义相对论不同）将在合并时、合并发生之前（螺旋阶段结束时）和合并发生之后（振铃阶段开始时）显现出来。实际上，我们正在研究探测皮秒时间尺度，而不是 LIGO 敏感的微秒到毫秒时间尺度，这将需要引力波实验在时间域灵敏度方面取得巨大进步。

这在物理上是不可能的吗？不一定。记住，LIGO 是由激光驱动的，激光穿过真空腔，在镜子上反射数千次，然后重建并重新组合。现在考虑这个事实：我们已经开发出在飞秒甚至阿秒（10^-15 秒到 10^-18 秒）时间范围内工作的激光脉冲，因此，如果我们有足够多的干涉仪同时运行，我们可以对相对论的微小偏差敏感。这需要技术上的巨大飞跃，包括大量的干涉仪，以及显著降低噪音和提高灵敏度。但这在技术上并非不可能；只是技术上很难！

从低功率激光脉冲开始，你可以将其拉伸，降低其功率，然后将其放大，而不会损坏放大器，然后再次压缩，从而产生比原本可能的更高功率、更短周期的脉冲。就激光而言，我们现在已经从飞秒（~10^-15 秒）时代过渡到阿秒（10^-18 秒）物理学时代。

尽管我们有充分的理由相信引力波只是电磁波的量子类似物，但与电磁光子不同，我们尚未应对直接探测引力波对应物引力粒子（理论引力子）的技术挑战。虽然目前的引力波探测器还没有时间域灵敏度来探测黑洞与黑洞合并前后可能出现的任何量子引力效应，但这并非技术或理论上的不可能。

理论家仍在计算可能出现的独特量子效应，并与实验者合作设计量子引力的桌面测试，与此同时，引力波天文学家也在思考未来一代探测器有朝一日如何揭示这些波的量子性质。虽然我们预计引力波会表现出波粒二象性，但在我们探测到它之前，我们无法确定。希望我们的好奇心能迫使我们投入其中，希望大自然能如我们所愿，希望我们能一劳永逸地找到答案！