引力波能用来检测时空裂缝吗?

YANGHUA-2046

我先说一下当代理论物理学界的观点:这是可以的。

宇宙大爆炸告诉我们,宇宙存在一个暴胀时期,这个时期所历经的“宇宙时间”很短,但是却让宇宙的温度下降得十分厉害!暴胀理论虽然是基于标量场与引力场耦合提出的,但是量子场论告诉我们,标量场和引力场之间不能存在任何有意义的耦合除非我们引入一种叫“宇宙弦”的假设才能解决标量场和引力场耦合而出现的困难。这个困难三言两语不好解释,但简单讲就是:引力场散射振幅的高圈修正需要无穷多重整化因子。

宇宙弦,顾名思义,它属于弦理论范畴。没错,在量子场论框架下进行的引力散射计算必定要引入所谓的弦理论,而宇宙弦则是一类特殊的弦。弦理论认为亚原子粒子是有长度极小的弦组成的。但是宇宙弦却是长度十分巨大的弦。这二者之间看似无关系,但是弦理论却告诉我们,这二者之间存在一种重要的对偶,能让二者归咎到同一个动力学理论里。宇宙弦是1976年由物理学家Kibble(翻译为:基布尔)提出的,当时他将宇宙弦称之为“时空裂缝”。在这里,需要简单介绍一下“时空裂缝”的形成。宇宙的暴胀让宇宙迅速变冷,这就像一杯开水迅速降温并结冰。只要题主学过和晶体学沾一点边儿的学科,就不会对我下面要说的东西陌生:结冰以后得到的冰是晶向不是非各向同性,而是各向同性。由于这种非各向同性性会导致冰内部存在十分复杂的“缺陷”——晶体学术语,而在量子场论专家看来,这些“缺陷”可以理解为“裂缝”。类比到宇宙,很明显急速降温的宇宙也一定存在类似的“裂缝”,这就是时空裂缝。基布尔称之为“宇宙弦”。注意,如果基布尔的思路是对的,那么我们就可以反过来使用他的想法,也就说用弦的思路来解释晶体相变的“缺陷”分布(原因是弦理论那个神奇的对偶)!

如果真的存在时空裂缝,也就是宇宙弦,那么其能量会十分巨大。短短几厘米的宇宙弦的能量等效于喜马拉雅山的质量(高能物理学家不区分物理量的量纲,统一使用自然单位制)。但是如果我们直接检测宇宙弦,其结果却是事倍功半:宇宙弦只能存在于宇宙的边界上。这个原因说起来就复杂了,但是用晶体学的缺陷来类比地解释就比较简单。晶体的缺陷存在于晶体内部时候其能量很高,但是如果存在于晶体边缘其能量却很低。那么我们如何来寻找宇宙学呢?答案就是靠引力波!

这需要用一点弦理论知识。弦理论,顾名思义,是研究弦动力学的理论。如果我们略去弦理论的现实意义,而只考虑一根普通的弦,那么由于自身振动必定要产生可观测的波动效应。注意,弦理论里面的弦振动不像是经典力学里面的弦振动仅仅是空间的“涟漪”,而是时空的“涟漪”——也就是引力波。也就是说,如果宇宙弦存在,那么就一定会产生引力波。进而可以计算出宇宙弦发出的引力波具有一个十分特殊性质:频率极低!原因是宇宙闭弦自转一周的时间是几十年不等。这种低频引力波和黑洞或者中子星产生的高频引力波是截然不同的!因此,如果能观测到低频引力波,那么宇宙弦存在的可能性就会很大!换句话说,弦理论被证明就指日可待。但是如果我们始终找不到低频引力波,那么弦理论可能要再一次受到质疑了!


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