← 返回实验室

黑洞合并会创造时间吗?我们问了 LIGO 的数据

physicsgravitational-wavesligo

时间为什么会流逝?物理学家 Richard Muller 和他的合著者 Shaun Maguire 给出了一个不同寻常的答案:宇宙不断创造新的时间,就像它在膨胀时不断创造 新的空间一样。“现在”就是新时间被添加进来的边界。

这听起来似乎无法检验,但他们指出了一个可能显现这种效应的地方。 当两个黑洞合并时,大量新空间会同时出现。如果新的时间也随之产生, 那么来自合并末尾的引力波到达我们这里的时刻,就应该比爱因斯坦方程 预测的稍晚一些。

我们把这个想法的一个版本拿来,用真实数据进行了检验。

我们检验的版本

Muller 和 Maguire 把新时间与空间的体积联系起来。问题在于,体积取决于 如何把时空划分为空间和时间,因此他们的版本需要一种优先的划分方式, 而实验为此留下的余地很小。

所以我们把新时间与所有观测者都认同的量联系起来:黑洞视界的面积。 当两个黑洞合并时,最终视界的面积比原来两个视界的面积之和更大。 我们让延迟随增加的面积增长:

delay = β × √(added horizon area / 4π) / c

这里 β 是唯一的自由数值参数。如果这个想法以最简单的形式成立,β 大约为 1。 如果没有这种效应,β 就是 0。

GW250114 是迄今记录到的信号最强的黑洞合并事件之一。对它而言,β = 1 意味着约 0.36 毫秒的延迟,在视界连接起来的最后几毫秒内开始出现:

视界连接的时刻并不是我们选定的。我们从公开的黑洞合并计算机模拟 (SXS 目录)中读取了它。在这些模拟中,共同视界大约在波形峰值之前 7–8 个系统质量单位出现。

我们如何寻找它

我们从 Gravitational Wave Open Science Center 下载了 GW250114 的 LIGO 数据,并同时用两个模型进行拟合:标准波形,以及在视界连接时刻 开启延迟的同一波形。拟合给出了与数据相容的延迟范围。

在信任真实数据上的答案之前,我们用两种方式检验了方法:

  1. 我们在事件附近的真实探测器噪声中加入一个没有任何延迟的模拟信号。 分析正确地返回了“无延迟”。
  2. 我们加入一个带有 β = 1 延迟的模拟信号。分析找到了它, 而且得到的解没有一个与零延迟相容。

方法检验

右侧面板是关键。β = 1 的延迟(紫色)本来很容易看见。 真实数据(蓝色)远在它的左侧。

数据告诉了我们什么

使用两个独立的波形模型,GW250114 的数据给出:

我们加入了第二个合并事件 GW250207。在这里,它的三个探测器中只有两个 可用,因此约束远不如前者精确,单靠它无法区分 β = 0 和 β = 1。 与 GW250114 合并后,上限仍为 β < 0.79。

延迟的后验分布

这没有说明什么

这是对一个具体想法的限制,不是支持它的证据,也不是关于时间本身的 一般性主张。需要坦诚说明几点:

公开目录中还有十一个强信号合并事件通过了相同的筛选条件。其中信号 最强的三个正在分析。如果这个想法是错的,上限应该收紧;如果 β = 1 是真的,这些事件应该开始把结果拉向它。

包含表格、每项检查和参考文献的完整报告在这里,以 PDF 形式提供: 黑洞合并会创造时间吗?来自 GW250114 的约束。

数据:Gravitational Wave Open Science Center(gwosc.org)、LIGO、Virgo 和 KAGRA。 模拟:SXS 目录。分析:bilby 和 dynesty。