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引力子存在嗎? 科學家把難題交給了黑洞合並
2020-07-13 08:10:06 來源: 科技日報
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相互作用

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相互作用

宇宙中存在4種相互作用:電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用以及萬有引力相互作用。科學家推測這些相互作用都是由信使媒介粒子傳遞的。

        一顆蘋果砸到了牛頓的腦袋,于是牛頓發現了萬有引力定律。想必這個傳説大家都曾聽過。小到蘋果下落,大到天體相互吸引,宇宙中引力無處不在。在量子力學中,我們所“熟知”的、無形的引力,可能是由粒子組成。

        近日,一項發表在《物理評論快報》的研究指出,在兩個黑洞合並而導致的引力波碰撞中,可以通過觀測引力子轉化為光子的現象,來尋找引力子。引力子是什麼?引力波的碰撞如何幫助我們尋找引力子?證明引力子的存在對于我們有何意義?近日,科技日報記者就上述問題採訪了相關專家。

        “三缺一”的相互作用粒子

        引力子是什麼?

        “宇宙中存在4種相互作用:電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用以及萬有引力相互作用。科學家推測,這些相互作用都是由信使媒介粒子傳遞的。電磁力由光子傳遞,弱相互作用的媒介粒子是中間玻色子,強相互作用的媒介粒子是膠子。所以,引力如果可以量子化,其媒介粒子就是我們所説的引力子。”重慶郵電大學理學院博士余耀表示。

        1913年,愛因斯坦提出了萬有引力場論,認為任何帶有質量的物體周圍都存在引力場,引力場是通過引力波來傳播的,而引力波的傳播媒介正是引力子。2016年,人類在兩個黑洞碰撞、合並的過程中,首次直接探測到引力波,愛因斯坦在廣義相對論中關于引力波的預言已經被證實。然而時至今日,人們卻沒能找到引力子。

        為何引力子這麼難找?

        “在實際觀測中,難以對引力的量子效應進行有效探測。”重慶郵電大學理學院副教授潘宇向科技日報記者解釋説,目前,其他三種相互作用力的傳遞粒子均已被證實,但引力的量子效應還沒有探測到,所以迄今仍未有能夠證明其存在的直接證據。

        如果引力是由引力子構成,那麼引力子是如何“工作”的?

        “在量子理論的框架下,所有力都是通過‘信使’傳遞動量和能量,這些‘信使’就是力所對應的傳播子。在宏觀角度上,引力作用可以改變物體的動量和能量,所對應的微觀理論就是,物體‘吃掉’或‘吐出’引力子來改變其動量和能量。”四川大學物理學院教授王鵬提出了一個形象的比喻。

        黑洞是它的“老朋友”

        在黑洞中尋找引力子,其實並非新鮮事。

        美國普林斯頓大學物理學家托尼·羅斯曼和美國哈佛大學福德學院的斯蒂芬·鮑恩就曾經提出過利用黑洞尋找引力子。

        黑洞並非是只“貪得無厭”的吞噬猛獸。根據霍金輻射理論,黑洞會因向外輻射而損失質量。根據羅斯曼和鮑恩的計算,霍金輻射中的百分之一是以引力子的形式出現。他們表示,最有可能發現引力子的地方,就是宇宙大爆炸時極端條件下形成的微型黑洞。但在宇宙演化進程中,小質量黑洞的霍金輻射逐漸減弱,難以憑借這些微弱的信號尋找引力子。

        在此次最新研究中,美國加州大學聖巴巴拉分校物理學家雷蒙德·索耶提出了一種新的機制,即在某些特定的情況下,引力子能夠轉化為大量的光子,可能比此前預測的要多出許多。

        早期研究表明,其他無質量粒子在大量存在時會突然改變自身狀態(被稱為量子破碎現象),索耶借助計算機模型研究了引力子是否也遵循同樣的模式。其模擬結果是肯定的:當引力子聚集密度足夠高時,其中一些會轉變為光子。

        但通過引力子轉化為光子來尋找引力子存在的證據並非易事。雖然從理論上來講,引力子是可以轉化為光子的,但其概率很小。如何在實驗室中“創造”這個小概率事件,甚至提高引力子轉化為光子的效率,就成了重中之重。

        為此,索耶建立了一個簡化的模型——模擬在兩個黑洞合並時,引力波的碰撞情況。該模型的預測結果顯示,引力波的碰撞可以産生大量的射電頻率光子。在這一轉化過程中,越強力的引力波所需要的時間就會越長,這就意味著觀測時間也越多,通過這類觀測證實引力子存在的可能性就越高。

        或與暗能量有關

        為何難以探尋的引力子,卻備受科學家的青睞?

        20世紀90年代後期,天文學家發現宇宙正在加速膨脹。為解釋這一現象,科學家提出宇宙中存在一種暗能量驅動宇宙加速膨脹。然而根據理論預測,暗能量應該比天文學家目前觀測到的宇宙膨脹加速現象所需要的能量要大得多。但如果宇宙按照這個“劇本”走下去,會在恒星和星係形成前就分崩離析。如今我們仍然能夠安然無恙,顯然這一推測並不符合實際。

        2010年,美國凱斯西儲大學宇宙學家克勞迪婭·德拉姆提出了一個觀點——如果引力子會吞噬暗能量,那麼宇宙就會以一種“可以接受”的速度加速膨脹。

        引力子不僅能夠幫助推動暗能量的研究,甚至有科學家懷疑引力子就是暗能量。曾有人提出,引力子的自作用在大尺度下可以有斥力項存在,這一特殊的性質不僅使得它可以作為宇宙暗物質和暗能量的候選者,同時亦可能對于解釋宇宙的構成及演化起到一定的積極作用。

        不過此次研究只是基于理論模型的探索,距離真正觀測到引力子還差很遠。索耶也表示,想要探測引力波碰撞産生的光子信號,可能需要一個基于空間的射電天文臺。王鵬表示,這項研究的重要意義之一,在于讓人們關注到引力子轉化為光子這一現象。

        許多科學家都相信,引力子的發現只是時間的問題。一旦發現,量子理論研究將實現突破性發展。(盛利)

 

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【糾錯】 責任編輯: 魯聃玉文
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