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    引力波会永久地扭曲时空,但我们至今未观测到插图

    2016年探测到引力波,这一事实为爱因斯坦的广义相对论提供了决定性的支持证据。但另一个令人震惊的预言仍未得到证实。根据广义相对论,每个引力波都应该在时空结构上留下不可磨灭的印记。它应该会永久地扭曲空间,甚至在行波过后还会使引力波探测器的镜面发生位移。

    自从6年前的首次探测以来,物理学家们一直在试图找出如何测量这种所谓的 “记忆效应”。

    澳大利亚莫纳什大学的天体物理学家保罗·拉斯基说:”记忆效应绝对是一个奇怪的现象。是非常深刻的东西。”

    他们的目标更广泛,不仅仅是瞥见一个经过的引力波留下的永久性时空伤痕。通过探索物质、能量和时空之间的联系,物理学家们希望能够更好地理解霍金的黑洞信息悖论,该悖论在过去五十年中一直是理论研究的主要焦点。”记忆效应和时空对称性之间存在着密切的联系,”加利福尼亚理工学院的物理学家基普·索恩说,他在引力波方面的工作使他获得了2017年诺贝尔物理学奖。”它最终与黑洞中的信息损失有关,这是空间和时间结构中一个非常深刻的问题。”

    时空中的一道伤痕

    为什么引力波会永久地改变时空的结构?这要归结于广义相对论对时空和能量的密切联系。

    首先考虑当引力波经过引力波探测器时会发生什么。激光干涉仪引力波观测站(LIGO)有两个臂膀,呈L形。如果你想象一个环绕着两臂的圆,圆心位于两臂的交汇处,引力波将周期性地扭曲这个圆,垂直挤压,然后水平挤压,交替进行,直到波动完全经过。两条臂之间的长度差将会振荡–这种行为让圆的扭曲,揭示引力波的存在。

    根据记忆效应,在波过后,圆应该保持永久变形的微小数量。其原因与广义相对论所描述的引力的特殊性有关。

    LIGO探测到的物体距离很远,它们的引力弱得可以忽略不计。但是引力波的范围比引力要长。因此,负责记忆效应的属性也是如此:引力势能。

    用简单的牛顿力学来说,引力势衡量一个物体如果从某个高度坠落会获得多少能量。把一个铁砧扔下悬崖,铁砧最终的动能大致相当于其当初所具有的“潜能”。

    但在广义相对论中,时空根据物体的运动在不同的方向上被拉伸和挤压,势能决定的不仅仅是某个位置的势能–它决定了时空的形状。

    “记忆只不过是引力势的变化,”索恩说,”但这是一个相对论的引力势。” 一个经过的引力波的能量产生了引力势的变化;这种势的变化扭曲了时空,甚至在波过后也是如此。

    一个经过的波会如何扭曲时空?可能性简直是无限的,而且,令人费解的是,这些可能性也是相互等价的。

    唉,LIGO的科学家还没有看到记忆效应的证据。引力波对LIGO镜子之间距离的改变是微不足道的–大约是质子宽度的千分之一–而这还要比记忆效应大20倍。

    LIGO被放置在我们这个嘈杂的星球上,使问题更加恶化。低频地震噪声干扰很像是记忆效应,因此从噪声中分离出信号是很棘手的事情。

    地球的引力也倾向于将LIGO的镜子恢复到它们的原始位置。因此,即使时空疤痕是永久性的,但镜子位置的变化–它使我们能够测量结点–却不是。研究人员将需要在引力有时间把镜子拉回来之前测量记忆效应所造成的位移。

    虽然检测单一引力波引起的记忆效应在目前的技术中是不可行的,但像拉斯基和伯明翰大学的帕特里夏·施密特这样的天体物理学家已经想到了巧妙的变通方法。拉斯基说:”你能做的是有效地堆积来自多个合并的信号,以一种非常严格的统计学方式积累证据。”

    拉斯基和施密特分别独立地给出分析,他们将需要超过1000个引力波事件来积累足够的统计数据,以确认他们已经看到了记忆效应。随着LIGO的不断改进,以及意大利的VIRGO探测器和日本的KAGRA的贡献,拉斯基认为1000次探测可在短短几年内达成。

    “这是一个如此特别的预测,看看它是否真的是真的,这相当令人兴奋。”

    广东·东莞
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