作者 | Lisa Zyga
翻译 | Propagator
审校 | 山寺小沙弥
借助去年首次发现的引力波的数据, 连同理论分析, 物理学家发现引力波可能在两种不同形式的 "g" 型和 "f" 型引力波之间振荡。他们解释说, 这种现象类似于中微子在三种不同的“味道”--电子中微子、μ中微子和τ中微子之间的振荡。这种引力波振荡的预言出自一个被称为“双度规”或者 “双引力”的引力理论, 物理学家们表明在未来的实验中, 这种引力波的振荡完全有可能被证实。
意大利和德国马普所的几位年轻人：尤里·斯米尔诺夫、凯文·麦克斯和莫里茨·普拉切尔近期在物理评论快报上刊登了一篇关于引力波振荡的分析文章。有物理学家认为，他们的工作也许有助于解答一个萦绕在物理学家心头良久的问题：宇宙中多达95%的未知物质是由什么构成的？这个问题的解答也许并不出自尚未发现的新粒子，而是来自对引力理论的修正。
图1- 计算机模拟出的星系间的暗物质纤维
“宇宙中只有大约5%的物质能被现有理论妥善地解释”，斯米尔诺夫告诉Phys.org。“很多研究人员选用一些带有全新粒子的粒子物理模型，来解释宇宙中其它物质的组成（‘暗物质’和‘暗能量’）。但是，不少实验结果，包括大型强子对撞机还从未探测到这种全新的粒子。这不禁让人怀疑，也许是引力理论本身需要修正呢？”
“在研究过程中，我们不断地探索引力被修正后对应着怎样的探测信号。最后我们发现，双引力理论对应的信号最为特殊，和其他理论有明显区别。近期LIGO对引力波的探测为宇宙‘暗区’的研究打开了一扇新的窗户。我们不知道自然界选用哪种理论构建了这个宇宙，广义相对论？双引力理论？还是其他别的什么理论？我们只能从实验中寻找最贴切的答案。”
图2 LIGO探测到的引力波为引力理论打开了新世界的大门
引力子并非只有一个
目前, 最完善的引力理论就是爱因斯坦的广义相对论, 它用一个单一的度量来描述时空。在广义相对论框架下, 引力相互作用以一个称作引力子的假想粒子作为传播媒介, 引力子是无质量的，以光速传播。
广义相对论和“双引力”理论之间主要的差异是：相比广义相对论，双引力理论采用两个度规，g度规和f度规。g代表物质度规，可以和物质发生耦合，f度规是惰性度规，不与物质发生耦合。在双引力理论中，引力相互作用以两种引力子作为媒介，一种有质量而另一种无质量。这两种引力子由g、f度规以不同的方式组合（或叠加）而成，所以不同的引力子同周遭物质的耦合方式不同。事实上，在双引力理论框架下两种不同度规（或者说两种不同的引力子）的存在，肯定会引起振荡现象。
其实，引力子具备质量这种设想，早在广义相对论建立初期就浮现在很多物理学家脑海中。
图3- 对引力理论的修正思路多如牛毛
“爱因斯坦的广义相对论早已预言了引力相互作用的传播媒质，但爱翁认为认为引力子以光速传播，没有质量，”麦克斯补充道：“早在上世纪30年代，人们就已经开始着手创立一套有质量的引力媒质理论，但在这种理论下引力子的传播速度会低于光速。之后的研究工作证明这项任务十分艰巨，直到本世纪10年代才成功建立，双引力理论就是这项工作的一个分支。双引力理论包含两个动力学度规，这两种引力子只有一种会与物质发生耦合，它们的线性组合而成的引力子既可能具有质量（同时慢于光速），也可能无质量（以光速传播）”
引力波的振荡
相关领域的物理学家告诉我们，在双引力框架下，引力波在空间中产生并传播，并在g和f度规之间振荡——尽管只有g度规能被探测到，前人的研究说明了这种物质有可能存在，但在他们的理论框架下，有可能推演出一些违反物理法则的结论，比如能量守恒。最近的研究则表明引力波振荡理论上讲是有可能在真实的物理图景下，前提是认为引力子的质量足够大，大到足以被如今的天体物理学测试手段检测到。
为帮助我们更好地理解这种振荡，研究者们把它们与中微子在很多方面进行类比。中微子有三种“味道”：电子中微子、μ中微子和τ中微子。一般而言，在核反应堆中产生的中微子是都是电子中微子（或者电子反中微子），因为另外两种中微子质量太大，难以形成稳定的物质。相似地，双引力子理论中也只有g度规引力子会与物质发生耦合，所以天体物理学事件中探测到的引力波也都是g型的，因为f型引力波根本不与物质发生相互作用啊。
图4- 标准粒子模型中的三种中微子，可以看出后两种质量一般远大于电子中微子
“要理解中微子的振荡现象，关键是要明白电子中微子并不具备确定的质量，而是三种中微子质量本征值的叠加”，普拉切尔解释道，“从数学角度讲，中微子的质量矩阵在以味为基时不是对角化的。因此，描述中微子在空间传播的波动方程忠实地描述出三种不同的味道是如何混合并振荡的。”
“这种机理在双引力理论中是一样的：引力子并非形单影只，它是由有质量的引力子和无质量的引力子混合而成，当引力波在空间中传播时，它会在g型和f型引力波之间不断振荡。当然，介于我们的探测器是由物质组成的，我们也只能探测到g型引力波了，而潇洒的f型引力波则挥一挥衣袖，不留下一丝痕迹！这就意味着，引力波信号中暗藏着验证双引力理论的重要证据，而找到它正是我们的工作。”
值得注意的是，虽然引力波和中微子具有很多相似之处，但二者的物理图景却大相径庭，中微子振荡可以在量子力学图景下由薛定谔波动方程描述，而引力波目前来看不能被量子化，只能用经典波动方程描述。
双引力模型所预测的引力波振荡对探测器畸变的调幅要比广义相对论预测的结果更明显，这种差异也为实验探测引力波振荡以验证双引力理论指明了道路。
图5– 双引力模型和广义相对论所预测的引力波振荡对探测器畸变的调幅不同，可以看出双引力模型对畸变的调幅更明显
“双引力理论目前只是物理大家族的一个后起之秀，尚有很多方面亟需完善，但他有望填补现有理论的一些空缺，”斯米尔诺夫如是说。“前人在引力理论领域做了不可磨灭的贡献，而我们也希望能成为其中一员。”
原文链接：
本文转载自公众号“中科院物理所（ID：cas-iop）”
发表于 2017-11-25 02:57
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