【原】新理論認(rèn)為，光子可以揭示“有質(zhì)量的引力子”

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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光子可以揭示“大質(zhì)量引力”，新的理論認(rèn)為,，與世界上最敏感的引力波探測(cè)器相比,，這是一個(gè)激進(jìn)的新設(shè)計(jì),。

圖解：兩顆中子星合并的藝術(shù)家插圖。（圖片：R.Hurt/Caltech-JPL）

引力波,，或時(shí)空漣漪，一直在地球上滑動(dòng),，攜帶著關(guān)于宇宙的奧秘,。但是直到幾年前,，我們也根本無(wú)法探測(cè)到這些波,，即使是現(xiàn)在，我們也只擁有最基本的能力來(lái)探測(cè)宇宙的伸展和擠壓,。

然而,，一個(gè)新提出的引力波探測(cè)器,，可以測(cè)量光和重力粒子之間的相互作用,，可能會(huì)改變這一點(diǎn)。在這一過(guò)程中,，該探測(cè)器可以回答關(guān)于暗能量和宇宙膨脹的重大問(wèn)題。

如今,，地球上的三個(gè)探測(cè)器——激光干涉引力波天文臺(tái)和處女室引力波天文臺(tái)——的工作原理是相同的：引力波在穿過(guò)地球時(shí)會(huì)微弱地拉伸和擠壓時(shí)空,。通過(guò)測(cè)量激光穿過(guò)一段長(zhǎng)距離所需的時(shí)間,，探測(cè)器可以測(cè)出時(shí)空變化的大小,。但是由于變化微弱，需要極其敏感的設(shè)備和統(tǒng)計(jì)模型才能探測(cè)出來(lái),。

在這篇新論文中，三位研究人員提出了一種全新的方法：通過(guò)尋找引力子（帶有重力的理論粒子）和光量子（組成光的微粒子）之間直接相互作用的效應(yīng)來(lái)捕捉引力波,。這篇新論文的合著者以及印度焦特布爾的印度理工學(xué)院的物理學(xué)家Subhashish Banerjee認(rèn)為,，通過(guò)研究那些與引力子作用后的光量子，可以重建引力波的性質(zhì)。Banerjee稱這樣的探測(cè)器比現(xiàn)有的探測(cè)器更便宜也更易建造,。“測(cè)量光量子是人們非常了解的事,，”Banerjee告訴《生活科學(xué)》,，“它經(jīng)過(guò)了極為充分的研究,，而且一定不像激光干涉引力波天文臺(tái)那種設(shè)置那么具有挑戰(zhàn)性,。”

沒(méi)有人能確切知道引力子和光量子是如何相互作用的，主要是由于引力子完全停留在理論階段,，沒(méi)有任何物品可以孤立存在。但是這篇新論文的研究者做出了一系列的理論預(yù)測(cè)：當(dāng)一股引力流撞擊一股光子流時(shí),，這些光子會(huì)散射,。而且這種散射會(huì)以一種微小的,、可預(yù)測(cè)的模式—物理學(xué)家可以使用研究光的量子物理學(xué)家開發(fā)的技術(shù)來(lái)放大和研究這種模式,。

自愛因斯坦時(shí)代以來(lái),，將小量子世界的物理學(xué)與大規(guī)模的引力和相對(duì)論物理學(xué)聯(lián)系起來(lái)一直是科學(xué)家們的目標(biāo)。但盡管新建議的研究引力波的方法將使用量子方法,，但它并不能完全彌補(bǔ)微小到大型的缺口,。

班納吉（Banerjee)補(bǔ)充說(shuō)：“但這是朝這個(gè)方向邁出的一步?！?/span>

他說(shuō)，探究引力子的直接相互作用可能會(huì)解決宇宙中其的他一些深?yuàn)W的謎團(tuán),。

作者在論文中指出,，光散射的方式將取決于引力子的具體物理性質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論,，引力子是無(wú)質(zhì)量的且以光速傳播,。但是根據(jù)一系列被稱為“大質(zhì)量引力”的理論，引力子有質(zhì)量且運(yùn)動(dòng)速度比光速慢,。一些研究人員認(rèn)為，這些想法可以解決諸如暗能量和宇宙膨脹之類的問(wèn)題,。班納吉（Banerjee）說(shuō)，使用光子散射檢測(cè)引力波可能會(huì)有副作用，告訴物理學(xué)家大質(zhì)量引力是否正確,。

“沒(méi)有人知道這種光子重力探測(cè)器最終會(huì)有多靈敏”,，Banerjee說(shuō),。這很大程度上取決于探測(cè)器的最終設(shè)計(jì)特性，目前,，尚無(wú)任何探測(cè)器在構(gòu)建中,。但是，他說(shuō),，他和兩個(gè)合著者希望實(shí)驗(yàn)者們馬上建造一個(gè)光子重力探測(cè)器,。在理論物理中，質(zhì)量引力理論通過(guò)賦予引力子非零的重量來(lái)修改廣義相對(duì)論,。在經(jīng)典理論中,，這意味著引力波遵循波動(dòng)方程,，所以，引力波會(huì)以低于光速的速度傳播,。

質(zhì)量引力理論有著漫長(zhǎng)而曲折的歷史，追溯回20世紀(jì)30年代,，沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli）和馬庫(kù)斯·菲爾茲（Markus Fierz）首次提出了在平坦時(shí)空背景下傳播的大型自旋2場(chǎng)的理論。后來(lái)在20世紀(jì)70年代,，質(zhì)量引力理論遭遇了危機(jī)，幻象模式和廣義相對(duì)論的不連續(xù)性使得在極限處引力子質(zhì)量變?yōu)榱?。盡管在三維時(shí)空這些問(wèn)題已經(jīng)被解決有一段時(shí)間了,，但是在四維以及更高維時(shí)空,，直到2010年Claudia de Rham, Gregory Gabadadze和Andrew Tolley 的工作(dRGT model)才把這些問(wèn)題解決。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.Rafi Letzter-四龍,，空格,，DUO

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1.WJ百科全書