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激光干涉儀可探測到引力波
2017-02-21
激光干涉儀引力波觀測臺是世界上最靈敏的探測時空漣漪的儀器，而據(jù)一些物理學(xué)家的計算，它還恰好是最好的發(fā)射引力波的儀器。雖然這些引力波過于微弱很難被檢測到，但是研究人員相信，原則上它們可以檢測到宏觀物體之間的一些奇怪的量子效應(yīng)。
上周美國物理學(xué)會的一次會議上，來自加州理工學(xué)院的Belinda Pang在做報告時就說：“我們對LIGO進行引力波探測上的優(yōu)化的同時，也進行了引力波發(fā)射上的優(yōu)化”。
阿爾伯特?愛因斯坦在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空，物體自由運動的直線軌道被彎曲，于是就等效產(chǎn)生了重力。愛因斯坦預(yù)測，當(dāng)兩個物體互相旋轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生引力波，而LIGO的1000多位物理學(xué)家已經(jīng)兩次探測到了兩個大質(zhì)量黑洞合并時發(fā)射出的引力波。
LIGO依靠的是它的兩個極度精確的探測器，一個位于華盛頓洲的Hanford，另一坐落在路易斯安娜州的Livingston。每個探測器都有一對4千米長的相互垂直的探測臂。這兩個探測臂其實就是兩把長尺，研究人員通過激光可以測量這兩個尺子的長度變化，進而探測空間的伸曲，而這種變化極其微小，用如此長的尺子都很難探測得到。
兩個長尺的末端都裝有40千克重的反射鏡，激光就在這兩個鏡子之間來回反射，當(dāng)某一條臂的長度發(fā)生了變化，激光就會相應(yīng)地發(fā)生干涉加強和干涉減弱。研究人員就是通過這個叫做干涉測量的方法來獲得尺長的變化。而引力波如此之微弱，為了探測到它，LIGO的測量精度必須達到一個質(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。為了證明這個結(jié)論，Pang和她的同事專門建立了一個量子力學(xué)模型，來解釋空間的彎曲是如何影響在探測臂中來回穿梭的激光的。
為了使測量盡可能的精確，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穩(wěn)定。這種不可避免的振幅擾動會對反射鏡產(chǎn)生隨機的沖力，使鏡子產(chǎn)生微小的運動從而激起時空的漣漪，Pang說。當(dāng)然，和你甩出一個保齡球所產(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，“這個探測器的本質(zhì)就是它與引力波的耦合，一旦發(fā)生了耦合，探測引力波和發(fā)射引力波就是一回事了。”
雖然微弱到無法直接被觀測，LIGO產(chǎn)生的引力波仍然可以被用來探測宏觀物體之間的量子效應(yīng)，Pang說。量子力學(xué)下的微觀粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方，很多物理學(xué)家就大膽地推測，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)不會持續(xù)太久，系統(tǒng)受外部世界影響會發(fā)生“退相干”效應(yīng)，從而坍塌到某一個確定的狀態(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。一些物理學(xué)家認(rèn)為重力在宏觀物體量子態(tài)坍塌的過程中起到了特殊的作用。
“這是一個很有意思的想法，但實現(xiàn)起來非常有具挑戰(zhàn)性，”Pang的合作者同時也是加州理工學(xué)院的物理學(xué)家Yiqui Ma說到，“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，“真是難以至信的困難”，她說，“但是也只有LIGO有條件實現(xiàn)它了。”
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