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时空会有记忆吗？
探测黑洞碰撞留下的永久痕迹将揭示一个充满无限对称性的宇宙，并缩小量子引力理论的可能性
当黑洞在宇宙的遥远地方碰撞时，它们以引力波的形式释放能量。你可以想象这些引力波通过时空传播，就像水面上落下的鹅卵石引起的涟漪一样。
“在池塘中，涟漪过去后，水会恢复到原来的水平，”密歇根州奥克兰大学的宇宙学家David Garfinkle说道。你可能会想，引力波经过后，宇宙的结构也会恢复正常。“但事实并非如此，”Garfinkle说。事实上，爱因斯坦的广义相对论认为，引力是由质量扭曲时空而产生的，预测引力波应该会微妙地改变时空的结构。换句话说，宇宙会记得。
这种“引力记忆”效应非常微弱，几乎可以说是类似于顺势疗法。但是，近年来，一些乐观的天体物理学家开始尝试证明其存在。“他们对时间持保留态度，”哈佛大学的理论物理学家Andrew Strominger说，“但没有人说我们无法测量它。”现在，随着更多的引力波涌现，我们可能即将取得突破。
这一发现的影响将是深远的。引力记忆将是一种隐藏的对称形式的证据，被认为充斥整个宇宙。这反过来将为量子引力理论以及时空的最终构成提供重要且可能是决定性的线索。
这个想法的根源可以追溯到20世纪60年代末，当时物理学家Joseph Weber认为自己发现了一个惊人的发现，他利用几乎只有振动的铝棒，捕捉到了他声称是对引力波的首次探测。Weber的宣布引起了媒体的轰动，但他的同行们更加谨慎。很少有物理学家怀疑引力波的存在，因为它们直接从广义相对论的方程中得出，但预计信号非常微弱，以至于Weber不太可能用他的简陋设备观测到它。
引力波
在批评者中，有两位物理学家叫做Alexander Polnarev和Yakov Zeldovich。为了试图证明Weber是错的，他们计算了最大引力波对韦伯振动棒的影响。他们设想了一个超密集的恒星团，位于我们银河系的中心，比实际存在的任何恒星团都要大，它产生的波动扰动了相距1000公里的两个粒子。这与韦伯的振动棒之间的距离相同，他将它们放置在全球各地的实验室中。即使在这种极端情况下，他们计算出韦伯的设备需要比现有的10000万倍更敏感才能探测到引力波。“探测是不可能的，”Polnarev说。
然而，在证明韦伯是错的过程中，这对夫妇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不会返回到原来的位置。相反，它们的位置会发生微小的偏移。这是因为时空将三维空间和一维时间结合成为一个四维的结构，而引力波会永久地在一个方向上拉伸时空，在另一个方向上挤压时空。
Polnarev知道，这种由经过的引力波在时空中留下的永久痕迹的独特想法可能会变得有用。然而，在那个时候，我们能否探测到这些引力波还只是一个遥远的梦想，对大多数人来说，观测引力记忆似乎是一种牵强的想法。
但Paul Lasky不这么认为。在LIGO宣布之前的几个月，他是一群被邀请到加利福尼亚州帕萨迪纳希尔顿酒店讨论探测结果影响的人之一。“我们都非常兴奋，”他说。“我们没有出去吃晚饭，而是坐在房间里试图解决这个问题。”
一个星期后，在会议结束时，他们解决了这个问题。与主流观点相反，他们的计算表明，通过结合LIGO和意大利的Virgo探测器的数据，有可能找到引力记忆的证据。他们很难预测需要收集多少信号——可能是500个，也可能是4000个——但他们希望通过大约1000个信号放大这种微小效应，从而看到它。
现在，随着LIGO、Virgo和日本的Kamioka引力波探测器在升级后重新启动，这个里程碑已经近在眼前。每周都有新的观测结果涌现，目前总数已经超过100个并且还在增加。以这个速度，实验者们希望能够在不久的将来探测到引力记忆。
这个发现的重要性不仅仅在于揭示了引力波的性质，还在于它可能为量子引力理论提供了线索。如果研究人员能够将引力记忆和其他信号区分开来，并发现黑洞确实具有某种特性，那将是迄今为止最清晰的表明广义相对论必须被量子引力理论取代的迹象。这将使引力与其他自然力相统一，而其他自然力由量子力学描述。这种量子引力理论可以用来描述引力记忆，换句话说，它们是同一种现象。因此，引力记忆的观测将是“壮观的证实”，法国理论物理学中心的Andrea Puhm说道。
Strominger意识到了这一点，并且在量子引力理论方面，这种连接尤其引人注目。引力记忆和超平移对称性可以与第三个看似不相关的现实部分相连接：能量为零的量子粒子，即软粒子。Strominger表明，软粒子的碰撞方式可以用描述产生引力记忆的碰撞黑洞的方程式来描述。这两组方程式已经被人们知晓几十年了，但是没有人将它们联系起来。
Strominger发现了所谓的红外三角形的第三个角落：一个数学上的联系，实际上是说软粒子定理与超平移对称性和引力记忆等价。这是一个重大发现，因为三角形的每个角落都为我们理解其他角落提供了帮助。对称性是直观的，Strominger说，而软粒子定理则意味着超平移对称性，相应的二维量子理论也必须如此。“这些对称性的实验确认将是一个非常重要的结果，”最近在伦敦玛丽女王大学举行的引力记忆会议上，Puhm说道。“但这只是一个开始。”
如果这还不够，红外三角形还引发了另一个令人惊讶的效应。当黑洞遵循超平移对称性时，它们会释放出软粒子，这些粒子最终会出现在黑洞的表面上。这个过程被认为涉及某种微妙地扭曲黑洞的冲击波。
本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。