为何说光有波动性也有粒子性（光具有波粒二象性）

引力波是否表现出波粒二象性呢？

图源：NASA

目前激光干涉引力波天文台已经探测到了第一个引力波信号，正如爱因斯坦理论中的预测，构成太空的本身应当有波纹和波的部分已经得到了证实。随之而来的是各种各样有趣的问题，包括从读者（以及Patreon的支持者）来的问题，Joe Latone问：

“引力波是否表现出波粒二象性呢，如果有的话，激光干涉引力波天文台的物理学家们是否也有方法证实呢，就像双缝干涉实验那样？”

波粒二象性是我们从未揭开的量子力学中最奇怪的结果之一。

图源：维基共享用户Sakurambo基于托马斯杨1803年提交给皇室的作品。

开始很简单：物质是由粒子构成的，比如原子和它们的组成部分，而辐射由波构成。你可以说物质是粒子因为它会和其他粒子碰撞，弹开，粘在一起，交换能量，被束缚等等。你也可以说物质是波因为它可以和自己绕射并相互干扰。牛顿对光的看法有误，他认为光是由粒子构成的，但其他人，例如惠更斯（和他同时代）、十九世纪早期的科学家杨、菲涅尔最后都表明如果没有波的存在，无法解释光的属性。最充分的证明是当你把它穿过一个双缝时：背景屏幕展示出的图像表明光既进行了建设性的干涉（出现亮斑），也发生了决定性的干涉（导致黑点）。

图源:维基共享用户Tonomura博士和Belsazar。注意当粒子足够多时，即使它们一次通过一个双缝，干涉图像也会清晰可见。

这种干涉是波的独特产物，由此也“证明”了光是波。但在二十世纪初，随着光电效应的发现，这点便更加迷惑。当你用光照射某种特定物质时，有时电子会被光“踢开”。如果你让光更红（因此能量更低）——即使任意强度的光——也不会激发电子。但如果你让光更蓝（因此能量更高），即使强度很低，也仍然会激发电子。不久后，我们发现光被量子化为光子，甚至个别光子可以像粒子一样运动，如果光有合适的能量，电子便会电离。

图源：维基共享用户Klaus-Dieter Keller创造了该矢量图。注意当能量低于某一阈值时，看不到电离，一但超过了这个阈值，电离便开始了，光子能量越大，电离速度越快。

20世纪，更奇怪的知识出现了，我们发现:

·当你让光子单独的穿过双缝时，它们仍然会相互干涉，产生和波本质相符合的图像。

·被认为是粒子的电子也类似的表现出这种干涉和衍射的图案。

·如果你测量某个光子或电子通过哪个狭缝时，并不能得到图案，但如果你不测量它，便会得到图案。

这就好像是每个我们观测到的粒子都可描述为波和粒子。此外，量子物理告诉我们需要在适当的情况下同时对待它们，否则便不会得到与实验一致的结果。

图源：B. P. Abbott et al. (LIGO科学合作和Virgo合作), 通过物理预告快报116, 061102 (2016)。

现在我们来谈引力波。它是独特的，因为我们只看到了它们的波状部分而不是基于粒子的部分。然而，就像水波的波由粒子构成一样，我们完全相信引力波是由粒子构成的。只不过那些是引力子（相较于水分子而言），它们是调节引力的粒子，也完全相信它们可以作为引力本质上是量子力的结果而出现。

图源：Dave Whyte《蜜蜂与炸弹》

因为这是一个波，因为这个波的行为表现和广义相对论预测的一样，包括：

·在旋进相阶段，

·在合并相阶段，

·在振铃相阶段，

我们可以很有把握地推断，它将持续做广义相对论预测的所有类似波会做的事情。与我们过去认为的波在细节上有些不同：它们不是水波一样的标量波，也不是光那样的失量波，它们有同相的、振荡的电场和磁场。相反，它们是张量波，在经过那片区域时会造成空间收缩和垂直方向上的稀薄。

从任何类型的波来看，这些波会做很多相同的事，包括它们通过中介以一个特定的速度传播（光速，通过太空本身结构），它们在太空里和其他波发生决定性地、建设性地干涉，这些“凌驾”于其它时空曲率之上的波也已经存在，如果有什么其他方式能让这些波发生衍射——也许在黑洞极强的引力源作用下会发生——它们就会这样做。此外，随着宇宙膨胀，我们知道这些波会做所有膨胀宇宙里的波会做的事：随着宇宙背景空间膨胀，它们也会拉伸和膨胀。

图源:E. Siegel,来自书《超越银行系》。

所以真正的问题是，我们怎样测试它的量子部分？我们怎样寻找一个引力波中的“粒子”性质？理论上讲，引力波和早期图像相似，显示了由许多四处游荡的粒子产生的表现波：那些粒子就是引力子，而激光干涉引力波天文台观测到的是整个波。我们有充足的理由相信我们手上的一系列引力子，是：

·自旋2-粒子，

·无质量，

·以光速传播，

·仅仅通过引力相互作用。

激光干涉引力波天文台对第二个约束条件——无质量——是极其好的：如果引力子有质量，也是小于1.6 x 10^-22 eV/c^2，或是比电子轻约10^28倍。但在我们找到用引力波测试量子引力的方法之前，我们仍不知道波粒二象性中的“粒子”部分是否适用于引力子。

事实上我们有许多机会，尽管激光干涉引力波天文台不太可能实现其中任何一个。你看，量子引力效应是最强最明显的，哪怕当你在非常小的距离也有强大的引力场存在。还有什么比黑洞合并更好的探测方法呢？当两个奇点合并在一起时，这些量子效应——应当是偏离广义相对论的——将会在合并那一刻出现，就在（旋进结束）相之前和（振铃开始）相之后。实际上，我们在探测皮秒级而不是激光干涉引力波天文台敏感的微妙-毫秒级，但这是不可能的。我们开发出了能在飞秒甚至阿秒时间范围内工作的激光脉冲，可以想象如果我们有足够的干涉仪同时工作，便可对微小的偏离相对论现象敏感。这需要科技上的巨大飞跃，包括大量干涉仪，还要显著降噪和提高敏感度。但技术上不是不可能：这仅是技术上的困难！

为了获得更多信息，我做了一个关于引力波，激光干涉引力波天文台以及我们从中所学知识的直播，是和密歇根大学的天文学家在线交谈的。

可能你们会对最后一个问题特别感兴趣，关于我们如何测试引力子的粒子性质，这将完善我们对宇宙中波粒二象性的认识。希望这是真的，但我们不能肯定。希望好奇心能引领我们投于其中，大自然能与我们合作，最后找到答案！

作者: Ethan Siegel

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