2019-11-03 19:31:01幻羽
*量子萬物理論——宇宙波函數*+ *重力波*+*量子力學*+*引力波*
*量子萬物理論——宇宙波函數*
當我們不只是將量子力學用於單個光子，也用於整個宇宙時，也許量子理論的最終實現將會到來。史蒂芬·霍金被薛定浮的貓問題困擾了很久，他說：「每當我一聽到貓，就想伸手掏槍。」他提出了他自己對這個問題的解決方案，找到一個整個字宙的波函數，如果整個字宙是波函數的一部分，那麼就沒有必要一定要有一個觀察者(他必須存在於宇宙之外)。
在量子理論中，每個粒子都與一個波相連。這個波又反過來告訴我們在任何一點找到粒子的機率。然而，字宙在它很年輕的時候比一個亞原子的粒子還小因此，也許宇宙本身有一個波函數。因為電子可以同時處於很多狀態，又因為宇宙曾經比一個電子還小，所以也許宇宙也同時存在很多由超級波函數描述的狀態。
這是多世界理論的一個變種。它不需要調用能夠一瞬間觀察整個宇宙的觀察者。但是霍金的波函數與薛丁格的波函數完全不同。在薛丁格的波函數中，空間-時間中的每一點都有一個波函數。在霍金的波函數中，每一個宇宙有一個波。薛丁格的波函數描述電子的所有可能的狀態，霍金引進的波函數代表宇宙的所有可能的狀態。在普通的量子力學中，電子存在於普通的空間中。
然面，在字宙的波函數中，波函數存在於「超空間」中，即存在於惠勒引進的所有可能的宇宙空間中。這個主要的波函數(所有波函數之母)不服從薛丁格方程(它只對單個電子成立),而是服從惠勒德威特方程(它對所有可能的宇宙成立)。在20世紀90年代早期，霍金寫道：他能夠部分解他的宇宙波函數，並指出最可能存在的宇宙是宇宙常數為零的宇宙。
這篇文章引起相當多的爭論，因為它依賴於所有可能的宇宙蟲洞。(想像漂浮在空氣中的無限大的肥皂泡海洋，這些肥皂泡全部都用細絲或蟲洞連接然後將所有的肥皂泡加在一起。) 最後，人們對霍金的雄心勃勃的方法產生了懷疑。有人指出，將所有可能的宇宙求和，在數學上是不可靠的，至少在得出指導我們的「萬物理論」之前是這樣。
批評家爭論說：在萬物理論產生之前，人們不能真正相信有關時間機器蟲洞、瞬間大爆炸和宇宙波函數的任何計算。然而，今天有很多物理學家相信：我們已經最終發現了萬物理論，儘管還不是最終的形式。這個萬物理論就是弦理論或M理論。這個理論能讓我們像愛因斯坦相信的那樣「解讀上帝的心思」嗎？
*重力波* (相對論)
在廣義相對論裡，重力波是時空的漣漪。當投擲石頭到池塘裡時，會在池塘表面產生漣漪，從石頭入水的位置向外傳播。當帶質量物體呈加速度運動時，也會在時空產生漣漪，從帶質量物體位置向外傳播，這時空的漣漪就是重力波。由於廣義相對論限制了重力交互作用的傳播速度為光速，因此兩個宇宙物體間萬有引力的感應會產生重力波的現象，我們可以想像在平面上放置一顆重球移動後，造成平面的時空扭曲波擴散出去要一段時間，之後才會對遠方的另一顆球產生影響。相反地說，牛頓重力理論中的交互作用是以無限的速度傳播，所以在這一理論下並不存在重力波。
由於重力波與物質彼此之間的交互作用非常微弱，重力波很不容易被傳播途中的物質所改變，因此重力波是優良的資訊載子，能夠從宇宙遙遠的那一端真實地傳遞寶貴資訊過來給人類觀測。重力波天文學是觀測天文學的一門新興分支。重力波天文學利用重力波來對於劇烈天文事件所製成的重力波波源進行數據收集，如白矮星、中子星與黑洞一類的星體所組成的聯星。另外，超新星與大爆炸也是劇烈天文事件所製成的重力波波源。原則而言，天文學者可以利用重力波觀測到超新星的核心，或者大爆炸的最初幾分之一秒，利用電磁波無法觀測到這些重要天文事件。
阿爾伯特·愛因斯坦根據廣義相對論於1916年預言了重力波的存在。1974年，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發現赫爾斯－泰勒脈衝雙星。這雙星系統在互相公轉時，由於不斷發射重力波而失去能量，因此逐漸相互靠近，這現象為重力波的存在提供了首個間接證據。科學家也利用重力波探測器來觀測重力波現象，如簡稱LIGO的雷射干涉重力波天文台。
2016年2月11日，LIGO科學團隊與處女座干涉儀團隊共同宣布，人類於2015年9月14日首次直接探測到重力波，其源自於雙黑洞合併。之後，又陸續多次探測到重力波事件，特別是於2017年8月17日首次探測到源自於雙中子星合併的重力波事件GW170817。除了LIGO以外，另外還有幾所重力波天文台正在建造。2017年，萊納·魏斯、巴里·巴利許與基普·索恩因成功探測到重力波，而獲得諾貝爾物理學獎。
*量子力學*
量子力學（英語：quantum mechanics；或稱量子論）是描述微觀物質（原子、亞原子粒子）行為的物理學理論，量子力學是我們理解除萬有引力之外的所有基本力（電磁交互作用、強交互作用、弱交互作用）的基礎。
量子力學是許多物理學分支的基礎，包括電磁學、粒子物理、凝聚體物理以及宇宙學的部分內容。量子力學也是化學鍵理論、結構生物學以及電子學等學科的基礎。
量子力學主要是用來描述微觀下的行為，所描述的粒子現象無法精確地以古典力學詮釋。例如：根據哥本哈根詮釋，一個粒子在被觀測之前，不具有任何物理性質，然而被觀測之後，依測量儀器而定，可能觀測到其粒子性質，也可能觀測到其波動性質，或者觀測到一部分粒子性質一部分波動性質，此即波粒二象性。
量子力學始於20世紀初馬克斯·普朗克和尼爾斯·波耳的開創性工作，馬克斯·玻恩於1924年創造了「量子力學」一詞。因其成功的解釋了古典力學無法解釋的實驗現象，並精確地預言了此後的一些發現，物理學界開始廣泛接受這個新理論。量子力學早期的一個主要成就是成功地解釋了波粒二象性，此術語源於亞原子粒子同時表現出粒子和波的特性。
*引力波* （物理概念）
在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年 ，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在於牛頓的經典引力理論當中，因為牛頓的經典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。
各種各樣的引力波探測器正在建造或者運行當中，比如advanced LIGO(aLIGO)從2015年9月份開始運行觀測。可能的引力波探測源包括緻密雙星系統（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，已經首次探測到了來自於雙黑洞合併的引力波信號 。
2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之後，人類探測到的第二個引力波信號。
2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發布會，宣佈人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波，並同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。2017年12月，入選“漢語盤點2017”活動年度候選字詞五大候選國際詞。
在愛因斯坦的廣義相對論中，引力被認為是時空彎曲的一種效應。這種彎曲是因為質量的存在而導致。通常而言，在一個給定的體積內，包含的質量越大，那麼在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率產生變化，並且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現像被稱之為引力波。
當一個引力波通過一個觀測者的時候，因為應變(strain)效應，觀測者就會發現時空被扭曲。當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少，這個頻率對於這個引力波的頻率。這種效應的強度與產生引力波源之間距離成反比。繞轉的雙中子星系統被預測，在當它們合併的時候，是一個非常強的引力波源，由於它們彼此靠近繞轉時所產生的巨大加速度。由於通常距離這些源非常遠，所以在地球上觀測時的效應非常小，形變效應小於1.0E-21。科學家們已經利用更為靈敏的探測器證實了引力波的存在。目前最為靈敏的探測是aLIGO，它的探測精度可以達到1.0E-22。更多的空間天文台(歐洲航天局的eLISA計劃，中國的中國科學院太極計劃，和中山大學的天琴計劃)目前正在籌劃當中。
引力波應該能夠穿透那些電磁波不能穿透的地方。所以猜測引力波能夠提供給地球上的觀測者有關遙遠宇宙中有關黑洞和其它奇異天體的信息。而這些天體不能夠為傳統的方式，比如光學望遠鏡和射電望遠鏡，所觀測到，所以引力波天文學將給我們有關宇宙運轉的新認識。尤其，引力波更為有趣的是，它能夠提供一種觀測極早期宇宙的方式，而這在傳統的天文學中是不可能做到的，因為在宇宙再合併之前，宇宙對於電磁輻射是不透明的。所以，對於引力波的精確測量能夠讓科學家們更為全面的驗證廣義相對論。
通過研究引力波，科學家們能夠區分最初宇宙奇點所發生的事情。原則上，引力波在各個頻率上都有。不過非常低頻的引力波是不可能探測到的，在非常高頻的區域，也沒有可靠的引力波源。霍金(Stephen Hawking) 和以色列（Werner Israel） 認為可能可以被探測到的引力波頻率，應該在1.0E-7 Hz 到1E11Hz之間。
引力波在不斷的通過地球；然而，即使最強的引力波效應也是非常小的，並且這些源距離我們很遠。比如GW150914在最後的劇烈合併階段所長的引力波，在穿過13億光年之後到達地球，最為時空的漣漪，也僅僅將LIGO的4公里臂長改變了一個質子直徑的萬分之一，也相當於將太陽係到我們最近恆星之間距離改變了一個頭髮絲的寬度。這種及其微小的變化，如果不借用異常精密的探測器，我們根本是探測不到的。
探測歷史
在過去的六十年裡，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈衝雙星PSR1913+16。1974年，美國麻省大學的物理學家家泰勒（Joseph Taylor）教授和他的學生赫爾斯（Russell Hulse）利用美國的308米射電望遠鏡，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由於兩顆中子星的其中一顆是脈衝星，利用它的精確的周期性射電脈衝信號，我們可以無比精準地知道兩顆緻密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及週期。根據廣義相對論，當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。
泰勒和他的同行在之後的30年時間裡面對PSR1913+16做了持續觀測，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：週期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合併。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。到目前為止，類似的雙中子星系統只已經發現了將近10個。但是此次發布會中的雙黑洞系統卻從來沒被發現過，是首次。
在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波並不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業內稱為共振棒探測器：當引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。
但是對於同一個探測器，只能探測其對應頻率的引力波信號，如果引力波信號的頻率不一致，那該探測器就無能為力。此外，共振棒探測器還有一個嚴重的局限性：引力波會產生時空畸變，探測器做的越長，引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2米，強度為1E-21的引力波在這個長度上的應變量(2E-21米)實在太小，對上世紀五六十年代的物理學家來說，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他之後，很多年輕且富有才華的物理學家投身於引力波實驗科學中。
在韋伯設計建造共振棒的同時期，有部分物理學家認識到了共振棒的局限性，然後就有了前面提到的有基於邁克爾遜干涉儀原理的引力波激光干涉儀探測方案。它是由麻省理工學院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward）在70年代建成。到了70年代後期，這些干涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。激光干涉儀對於共振棒的優勢顯而易見：首先，激光干涉儀可以探測一定頻率範圍的引力波信號；其次，激光干涉儀的臂長可以做的很長，比如地面引力波干涉儀的臂長一般在千米的量級，遠遠超過共振棒。
除過我們剛剛提到的aLIGO, 還有眾多的其他引力波天文台。位於意大利比薩附近，臂長為3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO；日本東京國家天文台臂長為300米的TAMA300。這些探測器曾在2002年至2011年期間共同進行觀測，但並未探測到引力波。所以之後這些探測器就進行了重大升級，兩個高新LIGO（升級版的LIGO）探測器於2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網絡中的先行者進行觀測，而高新VIRGO（升級後的VIRGO ）也將於2016年年底開始運行。日本的項目TAMA300進行了全面升級，將臂長增加到了3公里，改名為叫KAGRA，預計2018年運行。
因為在地面上很容易受到干擾，所以物理學家們也在向太空進軍。歐洲的空間引力波項目eLISA（演化激光干涉空間天線）。eLISA將由三個相同的探測器構成為一個邊長為五百萬公里的等邊三角形，同樣使用激光干涉法來探測引力波。此項目已經歐洲空間局通過批准，正式立項，目前處於設計階段，計劃於2034年發射運行。作為先導項目，兩顆測試衛星已經於2015年12月3日發射成功，目前正在調試之中。中國的科研人員，在積極參與目前的國際合作之外之外，也在籌建自己的引力波探測項目。
2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之後，人類探測到的第二個引力波信號 。
中國引力波探測
從愛因斯坦在1916年預測出引力波，到2015年LIGO獲得直接觀測證據，整整跨越了一百年。在這一過程中，中國科學家也在不斷尋覓、追求。早在上世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究，可惜因種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院空間引力波探測工作組成立，引力波的中國研究再啟征程。
目前，我國主要有三個大型引力波探測項目，一個是由中科院胡文瑞院士和吳岳良院士作為首席科學家的太極計劃，它非常類似於歐洲eLISA計劃。另外一個太空計劃是由中山大學羅俊院士領銜的“天琴計劃”，相比較太極，它將位於地球之上的10萬公里軌道處，三個衛星的間距也是大約在10萬公里之上。第三個是由中科院高能物理研究所主導的“阿里實驗計劃”，阿里實驗計劃是在計劃在我國西藏的阿里地區放置一個小型但具有大視場的射電望遠鏡，從地面上聆聽原初引力波的音符。這些項目現在預研階段。
這些探測都是利用激光干涉的方式。而我們的宇宙本身就已經“創造”出了一種探測工具— 毫秒脈衝星，它們是大質量恆星發生超新星爆炸形成的高速旋轉的緻密天體。這些極其穩定的恆星是自然界中最精確的時鐘，像燈塔一樣每“滴答”一次就向地球掃過一組信號。引力波可以通過雖然非常細微，但還是能夠察覺到的時間漲落而探測到。這就是脈衝星計時（Pulsar Timing）的方法。中國正在建設的500米口徑望遠鏡，以及國際上正在建設的平方公里陣(SKA)射電望遠鏡，都將監測脈衝星，從而探測引力波的存在。
宇宙引力波源
那麼在我們的宇宙當中，什麼樣的天體才能夠撼動產生可以探測到的引力波呢？對於地面上的探測器，通過認為下面的四種可以產生：
（1）旋進(In-spiral)或者合併的緻密星雙星系統。比如中子星或者黑洞的雙星系統。非常類似於發布會當中的系統。
（2）快速旋轉的緻密天體。這類天體會通過週期性的引力波輻射損失掉角動量，它的信號的強度會隨著非對稱的程度增加而增加。可能的候選體包括非對稱的中子星之類的。
（3）隨機的引力波背景。非常類似於我們通常熟知的宇宙背景輻射，這一類背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴漲時的遺跡。2014年由加州理工、哈佛大學等幾個大學的研究人員所組成的BICEP2團隊曾宣稱利用南極望遠鏡找到了原初引力波，但是後來證實為銀河系塵埃影響的結果。原初引力波的探測將是對暴脹宇宙模型的直接驗證，對於它的探測依舊在努力尋找之中。
（4）超新星或者伽馬射線暴爆發。恆星爆發時非對稱性動力學性質也會產生引力波。而直接探測到來自於這些天體的引力波，將是提供對這些天體最直接而且最內部的信息。 以上的天體都能夠產生地面探測器所探測到的引力波信號（頻率大約幾到幾百赫茲）。還有一類天體，也能夠產生比較較強的引力波，只是產生的頻率比較低而已（頻率在0.01赫茲以下）。
（5）超大質量黑洞。在星系的中心，我們知道會有一個超大質量黑洞的存在。星系在演化的過程當中，會彼此合併，所以在某些星系中間，會有兩個黑洞。非常類似於LIGO所探測到的雙恆星級黑洞，這兩個雙黑洞在繞轉和最終的合併的之時，也會產生很強的引力波。這種引力波可以利用空間探測器來探測。
天文意義
在過去的一個世紀，因為新的觀測宇宙的方法使用，天文學已經發生了改革性的變化。天文觀測最初使用可見光。400多年前，伽利略最早使用望遠鏡進行觀測。然而，可見光僅僅是電磁波譜上的一小部分，在遙遠的宇宙中，並非所有的天體會在這個特別的波段產生很強的輻射，比如，更有用的信息或許可以在射電波段得到。利用射電望遠鏡，天文學家們已經發現了脈衝星，類星體以及其他的一些極端天體現象，將我們對一些物理的認識推向了極限。利用伽馬射線，X射線，紫外，和紅外觀測，我們也取得了類似的進展，讓我們給天文帶來了新的認識。每一個電磁波譜的打開，都會為我們帶來前所未有的發現。天文學家們同樣期望引力波也是如此。
引力波有兩個非常重要而且比較獨特的性質。第一：不需要任何的物質存在於引力波源周圍。這時就不會有電磁輻射產生。第二：引力波能夠幾乎不受阻擋的穿過行進途中的天體。然而，比如，來自於遙遠恆星的光會被星際介質所遮擋，引力波能夠不受阻礙的穿過。這兩個特徵允許引力波攜帶有更多的之前從未被觀測過的天文現象信息。
社會影響
2017年12月，入選“漢語盤點2017”活動年度候選字詞五大候選國際詞。
