时空有记忆吗？寻找引力记忆
2023-08-11 12:49阅读：
在遥远的宇宙，当黑洞相撞时，它们会以引力波的形式释放能量。你可以将这些穿越时空的引力波想象为在池塘里投下一块石头，石头在池塘水面产生的涟漪。
密歇根州奥克兰大学的宇宙学家戴维·加芬克莱说：“在池塘里，涟漪散去后，水便恢复到原来的样子。”你可能会想象，在引力波经过后，宇宙的结构也会恢复到常态。“但实际上并非如此。”事实上，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论表明，质量扭曲，时空便产生了引力，并预言引力波在过去后应该会以极其细微的程度改变时空的结构。换句话说，宇宙是有记忆的。
这种“引力记忆”效应非常微弱。但近年来，一些乐观的天体物理学家已经接受了尝试证明其存在的挑战。哈佛大学理论物理学家安德鲁·施特勒明格说：“他们对何时能证明两面下注，但没有人说我们无法测量。”现在，随着更多引力波被测量到，我们可能正处于突破的边缘。
这一发现的影响将是深远的。引力记忆可以证明一种隐藏的对称性，据认为这种对称性充满了整个宇宙。接下来，它将为量子引力理论以及时空的本质提供重要而决定性的线索。
“曾像登月一样遥不可及”
这个想法的起源可以追溯到20世纪60年代末。当时物理学家约瑟夫·韦伯认为自己做出了一项惊人的发现。他仅仅利用一些振动的铝棒，就捕捉到了信号，据他声称是人类首次探测到的引力波信号。韦伯的宣告引起了媒体的轰动，但他的同行们更为谨慎。很少有物理学家怀疑引力波的存在，因为它们是从广义相对论的方程式得出来的，但这个信号预计非常微弱，以至于韦伯使用的简陋设备看起来不太可能探测到它。
在对韦伯实验进行质疑的批评者中有两位物理学家，他们分别是亚历山大·波尔纳列夫和雅科夫·泽利多维奇。为了试图证明韦伯是错误的，他们计算了可能产生的最大引力波对韦伯的振动棒的影响。他们设想有一个超密集的星团
，位于我们银河系的中心，比宇宙实际存在的任何星团都要大得多，这个星团制造了波，扰动了两个相隔1000公里的粒子。这个距离与韦伯振动棒之间的距离是相同的，他将这些振动棒放置在全球各地的实验室中。然而，根据他们的计算，即使在这种极端情况下，韦伯的设备需要比现有的检测引力波的设备敏感度高出1亿倍才能探测到引力波。波尔纳列夫说：“这样的探测是不可能的。”
然而，在证明韦伯错误的过程中，两位物理学家偶然发现了一个有趣的效应。计算结果显示，被引力波振动的粒子并不会返回到其原来的位置。相反，它们的位置会发生微小的偏移。这是因为时空——即将空间的三个维度与时间的一个维度结合起来，形成了一个四维的结构——会被引力波永久性地在一个方向上拉伸，并在另一个方向上压缩。
波尔纳列夫知道，引力波经过时在时空留下永久性痕迹的想法可能会变得有用。但当时，人类探测到引力波就像登月一样遥不可及，遑论时空发生的微弱得多的扭曲了。在接下来的几十年里，大多数物理学家都没再想引力记忆的事情。即使到了2016年，当美国激光干涉仪引力波观测台宣布发现引力波时，对于我们有朝一日可能会看到引力记忆的想法，大多数人仍然觉得有点牵强。
“每周都有新观测结果涌现”
然而，澳大利亚墨尔本莫纳什大学的天体物理学家保罗·拉斯基并不这样认为。在激光干涉仪引力波观测台宣布发现引力波之前的几个月，他和其他人受邀到加利福尼亚州帕萨迪纳市希尔顿酒店讨论观测结果的意义。拉斯基说：“我们都非常兴奋。”数十名研究人员穿梭在研讨会的不同房间，讨论从黑洞合并到激光干涉仪引力波观测台的光束分割器的微妙之处。那么有人讨论引力记忆吗？他说：“老实说，我认为这不是很多人关注的问题。”
尽管如此，拉斯基找到了一小群致力于探测引力记忆的人。除了莫纳什大学的同事埃里克·特拉内和尤里·莱文，拉斯基还与加州理工学院的乔纳森·布莱克曼和陈雁北交谈。尽管彼此并不相识，但两个团队都在研究如何探测引力记忆。他们认为，确凿的证据是在引力波信号的涟漪中发生微小变化。对于像激光干涉仪引力波观测台来说，这样的变化太微弱，无法在单个事件中观测到。但是，通过组合多个事件，他们认为应该能够观测到它。
这并不是一件容易的事情。陈雁北立即注意到了拉斯基漏掉的一些因素。但是这些研究员们坚持不懈。拉斯基说：“这是一次过山车般的旅程。我们在交谈的间隙进行计算。我们没有约在一起出去吃饭，而是坐在房间里试图解决这个问题。”
一周后，会议结束时，他们成功了。与主流的观点相反，他们的计算结果表明，通过结合激光干涉仪引力波观测台和意大利的室女座探测器的数据，就有可能发现引力记忆。他们很难预测需要组合多少信号——可能少至500个，也可能多至4000个——但他们希望通过约1000个信号能够放大这种微小效应，以便观测到它。
现在，随着激光干涉仪引力波观测台、室女座探测器和日本的神冈引力波探测器在升级后重新开机，这一里程碑已近在眼前。每周都有新的观测结果涌现，目前的总数已超过100个并且还在增加。按照这个速度，实验人员希望在几年内探测到引力记忆。
为量子引力提供线索
这将进一步证实爱因斯坦引力理论的预言。然而，矛盾的是，这也可能有助于证明该理论的局限性：引力记忆可能表明，广义相对论预测的黑洞与我们所看到的黑洞之间是不同的。
这种差异可能在两个黑洞合并的最后时刻显现出来，即当它们以螺旋状相互绕转最终合为一体时。合并后形成的黑洞开始“颤动”，然后恢复正常，成为一个规规矩矩的正常黑洞，并在这个过程中释放更多的引力波。从这些引力波中，我们可以检测到黑洞“衰荡”的形状。拉斯基说，这个形状将根据黑洞到底是遵循广义相对论还是遵循其他引力理论而略有不同。
在广义相对论中，黑洞由两个参数来描述：质量和自旋。除了这两个参数之外的一切都被称为“毛发”，所以拉斯基说，不遵循广义相对论的黑洞将是“有毛发”的黑洞。这意味着“有毛发”的黑洞与“无毛发”的黑洞在振荡时有所不同。这就是为什么拉斯基正试图通过引力波对黑洞进行“非常精确的测量”，来看看是否存在隐藏的“毛发”。拉斯基说，如果你想真正测试广义相对论，你可以测试黑洞“无毛定理”。
问题在于，它产生一些信号是在衰荡的同时产生的。要真正理解这些衰荡的引力波，我们首先必须知道引力记忆所起的作用。
如果研究人员能够将这两个信号区分开，发现黑洞确实是“有毛发”的，那将是迄今为止最清晰的迹象，表明广义相对论必须要被量子引力理论所取代。这将使引力与量子力学描述的其他自然力相统一。量子引力可能是什么样子目前还不清楚，实验尚未提供太多线索。但是，多亏了哈佛大学的施特勒明格几年前发现的自然界奇怪现象，引力记忆在这方面带来了希望。
Does space-time remember? The search for gravitational
memory
Detecting the permanent imprints left by colliding black holes
would reveal a universe saturated with infinite symmetries – and
narrow the possibilities for a theory of quantum gravity
By Abigail Beall
WHEN black holes collide in the distant reaches of the universe,
they release energy in the form of gravitational waves. You can
picture these passing through space-time like the ripples a dropped
pebble creates on the surface of a pond.
“In a pond, after the ripples pass, the water returns to its old
level,” says David Garfinkle, a cosmologist at Oakland University
in Michigan. You might imagine that after the gravitational wave
has passed, the fabric of the universe returns to normal too. “But
it doesn’t,” says Garfinkle. In fact, Albert Einstein’s general
theory of relativity, which says that gravity results from mass
warping space-time, predicts that gravitational waves should
ever-so-subtly shift the structure of space-time in their wake. In
other words, the universe remembers.
This “gravitational memory” effect is so weak that it might as well
be homeopathic. But, in recent years, a few optimistic
astrophysicists have taken up the challenge of trying to
demonstrate its existence. “They hedge their bets about when,” says
Andrew Strominger, a theoretical physicist at Harvard University,
“but nobody’s saying we can’t measure it.” And now, as more
gravitational waves roll in, we might be on the cusp of a
breakthrough.
The implications of such a discovery would be far-reaching.
Gravitational memory would be evidence of a hidden form of symmetry
that is thought to saturate the whole universe. This, in turn,
would provide vital and potentially decisive clues about a quantum
theory of gravity – and what space-time is ultimately made
of.
The roots of this idea stretch back to the late 1960s, when
physicist Joseph Weber thought he had made a startling discovery
…
