研究：引力波应该会永久地扭曲时空

2016年对引力波的首次探测为爱因斯坦的广义相对论提供了一次决定性的确认。然而另一个令人震惊的预言仍未得到证实。据悉，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，甚至在波过后还会让引力波探测器的镜面发生位移。

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自从六年前的首次探测以来，物理学家们一直在试图弄清楚如何测量这种所谓的“记忆效应”。

来自澳大利亚莫纳什大学的天体物理学家Paul Lasky指出：“记忆效应绝对是一种奇怪、奇特的现象。这是非常深刻的东西。”"

Lasky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。他们希望通过探索物质、能量和时空之间的联系能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。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，”来自加利福尼亚理工学院的物理学家Kip Thorne说道。他在引力波方面的工作使他获得了2017年诺贝尔物理学奖的一部分。

时空的伤痕

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。

首先要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。如果想象一个环绕着两臂的圆，圆心位于两臂的交汇处，那么引力波会将周期性地扭曲这个圆，垂直挤压，然后水平挤压，就这样交替进行，一直到波通过。两臂之间的长度差将振荡--这种行为揭示了圆的扭曲以及引力波的通过。

根据记忆效应，在波通过后，圆应该保持永久变形的微小数量。其原因跟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，它们的引力弱得则可以忽略不计。但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。

用简单的牛顿术语来说，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，铁砧在底部的速度可以用来重建掉下悬崖所能带来的“势”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--它还决定了时空的形状。

“记忆只不过是引力势的变化，”Thorne说道，“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。

那一个经过的波会究竟是如何扭曲时空的？可能性简直是无限的，并且令人费解的是，这些可能性也是相互等价的。以这种方式，时空就像一个无限的博格游戏。经典的博格游戏有16个六面骰子，排列在一个四乘四的网格中，每个骰子的每一面都有一个字母。每次玩家摇动网格，骰子就会哗啦啦地响并形成一个新的字母排列。大多数配置是可以相互区分的，但在更大的意义上，所有的配置都是相等的。它们都是在骰子可能处于的最低能量状态下静止的。当一个引力波通过时，它摇动了宇宙的博格板，从而将时空从一个古怪的配置改变到另一个。但时空仍处于最低能量状态。

超级对称性

这一特点--你可以改变棋盘，但最终事情从根本上保持不变--表明时空结构中存在着隐藏的对称性。在过去十年时间中，物理学家们明确地提出了这种联系。

故事要追溯到20世纪60年代，当时四位物理学家想更好地理解广义相对论。他们想知道，在一个离宇宙中所有质量和能量无限远的假设区域会发生什么，那里的引力可以被忽略，但引力辐射却不能被忽略。他们首先研究了这个区域所遵守的对称性。

他们已经知道根据狭义相对论的世界的对称性，其中时空是平坦的，没有特征。在这样一个光滑的世界里，无论你在哪里你面对的是哪个方向以及你移动的速度，一切看起来都一样。这些特性分别对应于平移、旋转和升力对称性。物理学家们预计，在离宇宙中所有物质无限远的地方，在一个被称为“渐进平坦”的区域，这些简单的对称性会重新出现。

令他们惊讶的是，除了预期的对称性之外，他们还发现了一套无限的对称性。新的“超级翻译”对称表明，时空的个别部分可以被拉伸、挤压和剪切，而在这个无限遥远的区域的行为将保持不变。

20世纪80年代，宾夕法尼亚州立大学的物理学家Abhay Ashtekar发现，记忆效应是这些对称性的物理表现。换言之，一个超级翻译正是会导致博格宇宙选择一种新的但等价的方式来扭曲时空。

他的工作将宇宙中一个假设区域的这些抽象的对称性跟真实的效果联系起来。“对我来说，这就是测量记忆效应的令人兴奋之处--它只是证明了这些对称性确实是物理性的，”来自维也纳科技大学的物理学家Laura Donnay指出，“即使是非常优秀的物理学家也不完全掌握它们以非微观的方式发挥作用并给你带来物理效应。而记忆效应就是其中之一。”

探寻悖论

博格游戏的重点是搜索网格上看似随机的字母排列以找到单词。每一个新的配置都隐藏着新的单词，因此也隐藏着新的信息。

跟博格游戏一样，时空也有可能储存信息，这可能是解决黑洞信息悖论的关键。简而言之，这个悖论是这样的：信息不能被创造或销毁。那么在粒子落入黑洞并作为无信息的霍金辐射重新释放后，有关粒子的信息去了哪里？

2016年，哈佛大学的物理学家Andrew Strominger与Stephen Hawking及Malcolm Perry一起意识到，黑洞的地平线具有跟渐近平坦空间中的超翻译对称性。而根据跟之前相同的逻辑则会有一个伴随的记忆效应。这意味着坠落的粒子可以改变黑洞附近的时空，从而改变其信息内容。这为信息悖论提供了一个可能的解决方案。粒子属性的知识并没有丢失--它被永久地编码在时空结构中。

普林斯顿大学的理论物理学家Sabrina Pasterski说道：“你可以说一些关于黑洞蒸发的有趣的事实是非常酷的。该框架的起点已经有了有趣的结果。而现在我们正在把这个框架推得更远。”

Pasterski和其他人已经启动了一个新的研究计划，他们将关于引力和其他物理学领域的声明跟这些无限对称性联系起来。在追寻这些联系的过程中，他们发现了新的、奇特的记忆效应。Pasterski在一组不同的对称性和自旋记忆效应之间建立了联系，即时空因携带角动量的引力波而变得弯曲和扭曲。

机器中的幽灵

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--约是质子宽度的千分之一--而记忆效应则被预测为小20倍。

LIGO被放置在我们这个嘈杂的星球上，这使得问题进一步恶化。低频地震噪声模仿了记忆效应在镜面位置的长期变化，因此从噪声中分离出信号是一件非常棘手的事情。

地球的引力也倾向于将LIGO的镜面恢复到它们的原始位置并消除其记忆。因此，即使时空的结点是永久性的，但镜面位置的变化--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将镜面拉回之前测量记忆效应所造成的镜面位移。

虽然检测由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Lasky和伯明翰大学的Patricia Schmidt这样的天体物理学家已经想出了巧妙的变通办法。Lasky表示：“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。”

Lasky和Schmidt各自预测，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，Lasky认为达到1000次探测是在短短几年内。

“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，”Schmidt说道。

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