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激光干涉儀可探測(cè)到引力波
2017-02-21
激光干涉儀引力波觀測(cè)臺(tái)是世界上最靈敏的探測(cè)時(shí)空漣漪的儀器，而據(jù)一些物理學(xué)家的計(jì)算，它還恰好是最好的發(fā)射引力波的儀器。雖然這些引力波過(guò)于微弱很難被檢測(cè)到，但是研究人員相信，原則上它們可以檢測(cè)到宏觀物體之間的一些奇怪的量子效應(yīng)。
上周美國(guó)物理學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上，來(lái)自加州理工學(xué)院的Belinda Pang在做報(bào)告時(shí)就說(shuō)：“我們對(duì)LIGO進(jìn)行引力波探測(cè)上的優(yōu)化的同時(shí)，也進(jìn)行了引力波發(fā)射上的優(yōu)化”。
阿爾伯特?愛(ài)因斯坦在1915年解釋了重力的起源：引力波拉伸了空間本身。像地球這樣的大質(zhì)量物體扭曲了它周圍的時(shí)空，物體自由運(yùn)動(dòng)的直線軌道被彎曲，于是就等效產(chǎn)生了重力。愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)，當(dāng)兩個(gè)物體互相旋轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生引力波，而LIGO的1000多位物理學(xué)家已經(jīng)兩次探測(cè)到了兩個(gè)大質(zhì)量黑洞合并時(shí)發(fā)射出的引力波。
LIGO依靠的是它的兩個(gè)極度精確的探測(cè)器，一個(gè)位于華盛頓洲的Hanford，另一坐落在路易斯安娜州的Livingston。每個(gè)探測(cè)器都有一對(duì)4千米長(zhǎng)的相互垂直的探測(cè)臂。這兩個(gè)探測(cè)臂其實(shí)就是兩把長(zhǎng)尺，研究人員通過(guò)激光可以測(cè)量這兩個(gè)尺子的長(zhǎng)度變化，進(jìn)而探測(cè)空間的伸曲，而這種變化極其微小，用如此長(zhǎng)的尺子都很難探測(cè)得到。
兩個(gè)長(zhǎng)尺的末端都裝有40千克重的反射鏡，激光就在這兩個(gè)鏡子之間來(lái)回反射，當(dāng)某一條臂的長(zhǎng)度發(fā)生了變化，激光就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生干涉加強(qiáng)和干涉減弱。研究人員就是通過(guò)這個(gè)叫做干涉測(cè)量的方法來(lái)獲得尺長(zhǎng)的變化。而引力波如此之微弱，為了探測(cè)到它，LIGO的測(cè)量精度必須達(dá)到一個(gè)質(zhì)子大小的1/10,000。
但LIGO的極高的靈敏度也暗示了它能夠高效產(chǎn)生引力波。為了證明這個(gè)結(jié)論，Pang和她的同事專門建立了一個(gè)量子力學(xué)模型，來(lái)解釋空間的彎曲是如何影響在探測(cè)臂中來(lái)回穿梭的激光的。
為了使測(cè)量盡可能的精確，LIGO的物理學(xué)家必須保證光波的波峰和波谷—即相位—保持絕對(duì)的穩(wěn)定。受制于量子力學(xué)的不確定性原理，這種情況下的光波振幅必然不會(huì)穩(wěn)定。這種不可避免的振幅擾動(dòng)會(huì)對(duì)反射鏡產(chǎn)生隨機(jī)的沖力，使鏡子產(chǎn)生微小的運(yùn)動(dòng)從而激起時(shí)空的漣漪，Pang說(shuō)。當(dāng)然，和你甩出一個(gè)保齡球所產(chǎn)生的引力波相比，LIGO產(chǎn)生的引力波可以真算不了什么，但是效率卻是最佳的。
“這個(gè)結(jié)論并不出乎意料”，北京師范大學(xué)的物理學(xué)家Fan Zhang說(shuō)，“這個(gè)探測(cè)器的本質(zhì)就是它與引力波的耦合，一旦發(fā)生了耦合，探測(cè)引力波和發(fā)射引力波就是一回事了。”
雖然微弱到無(wú)法直接被觀測(cè)，LIGO產(chǎn)生的引力波仍然可以被用來(lái)探測(cè)宏觀物體之間的量子效應(yīng)，Pang說(shuō)。量子力學(xué)下的微觀粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，很多物理學(xué)家就大膽地推測(cè)，也許我們可以做到讓宏觀物體處于相似的量子態(tài)中。
這種微秒的狀態(tài)不會(huì)持續(xù)太久，系統(tǒng)受外部世界影響會(huì)發(fā)生“退相干”效應(yīng)，從而坍塌到某一個(gè)確定的狀態(tài)。“然而，我們可以獲得退相干的速度，并與引力波的影響相比較”，Pang說(shuō)。一些物理學(xué)家認(rèn)為重力在宏觀物體量子態(tài)坍塌的過(guò)程中起到了特殊的作用。
“這是一個(gè)很有意思的想法，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常有具挑戰(zhàn)性，”Pang的合作者同時(shí)也是加州理工學(xué)院的物理學(xué)家Yiqui Ma說(shuō)到，“為了看到引力波的量子效應(yīng)，研究人員必須消除其它所有的退相干源。”Pang認(rèn)同了這一點(diǎn)，“真是難以至信的困難”，她說(shuō)，“但是也只有LIGO有條件實(shí)現(xiàn)它了。”
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