引力波能用來檢測時空裂縫嗎?

YANGHUA-2046

我先說一下當代理論物理學界的觀點:這是可以的。

宇宙大爆炸告訴我們,宇宙存在一個暴脹時期,這個時期所歷經的“宇宙時間”很短,但是卻讓宇宙的溫度下降得十分厲害!暴脹理論雖然是基於標量場與引力場耦合提出的,但是量子場論告訴我們,標量場和引力場之間不能存在任何有意義的耦合除非我們引入一種叫“宇宙弦”的假設才能解決標量場和引力場耦合而出現的困難。這個困難三言兩語不好解釋,但簡單講就是:引力場散射振幅的高圈修正需要無窮多重整化因子。

宇宙弦,顧名思義,它屬於弦理論範疇。沒錯,在量子場論框架下進行的引力散射計算必定要引入所謂的弦理論,而宇宙弦則是一類特殊的弦。弦理論認為亞原子粒子是有長度極小的弦組成的。但是宇宙弦卻是長度十分巨大的弦。這二者之間看似無關係,但是弦理論卻告訴我們,這二者之間存在一種重要的對偶,能讓二者歸咎到同一個動力學理論裡。宇宙弦是1976年由物理學家Kibble(翻譯為:基布爾)提出的,當時他將宇宙弦稱之為“時空裂縫”。在這裡,需要簡單介紹一下“時空裂縫”的形成。宇宙的暴脹讓宇宙迅速變冷,這就像一杯開水迅速降溫並結冰。只要題主學過和晶體學沾一點邊兒的學科,就不會對我下面要說的東西陌生:結冰以後得到的冰是晶向不是非各向同性,而是各向同性。由於這種非各向同性性會導致冰內部存在十分複雜的“缺陷”——晶體學術語,而在量子場論專家看來,這些“缺陷”可以理解為“裂縫”。類比到宇宙,很明顯急速降溫的宇宙也一定存在類似的“裂縫”,這就是時空裂縫。基布爾稱之為“宇宙弦”。注意,如果基布爾的思路是對的,那麼我們就可以反過來使用他的想法,也就說用弦的思路來解釋晶體相變的“缺陷”分佈(原因是弦理論那個神奇的對偶)!

如果真的存在時空裂縫,也就是宇宙弦,那麼其能量會十分巨大。短短几釐米的宇宙弦的能量等效於喜馬拉雅山的質量(高能物理學家不區分物理量的量綱,統一使用自然單位制)。但是如果我們直接檢測宇宙弦,其結果卻是事倍功半:宇宙弦只能存在於宇宙的邊界上。這個原因說起來就複雜了,但是用晶體學的缺陷來類比地解釋就比較簡單。晶體的缺陷存在於晶體內部時候其能量很高,但是如果存在於晶體邊緣其能量卻很低。那麼我們如何來尋找宇宙學呢?答案就是靠引力波!

這需要用一點弦理論知識。弦理論,顧名思義,是研究絃動力學的理論。如果我們略去弦理論的現實意義,而只考慮一根普通的弦,那麼由於自身振動必定要產生可觀測的波動效應。注意,弦理論裡面的弦振動不像是經典力學裡面的弦振動僅僅是空間的“漣漪”,而是時空的“漣漪”——也就是引力波。也就是說,如果宇宙弦存在,那麼就一定會產生引力波。進而可以計算出宇宙弦發出的引力波具有一個十分特殊性質:頻率極低!原因是宇宙閉弦自轉一週的時間是幾十年不等。這種低頻引力波和黑洞或者中子星產生的高頻引力波是截然不同的!因此,如果能觀測到低頻引力波,那麼宇宙弦存在的可能性就會很大!換句話說,弦理論被證明就指日可待。但是如果我們始終找不到低頻引力波,那麼弦理論可能要再一次受到質疑了!


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