以“原子干涉仪”探测时空引力波

综合        2019-10-06   来源:小斌说三农

时空引力波、或一种传递物质引力的波动是宇宙中最为神秘的现象之一,科学家很早预言了它的存在,几十年来,他们却从未寻到它的蛛丝马迹,为了揭示时空引力场的“隐形世界”,孜孜以求的科学家设想了一种新的仪器,他们应用原子的量子属性来探测宇宙中普遍存在的引力波纹、或引力褶皱。爱因斯坦以广义相对论为基础推论了引力波的存在,大质量天体表现了大的引力现象,而引力的本质是物体质量对周围时空产生的弯曲作用。当光线在弯曲时空中旅行时,它受到附近大质量物体的引力效应,光线将沿着一条弯曲的路径运动。

以“原子干涉仪”探测时空引力波

中子星、黑洞等高致密性天体有超强的引力场,双星系内相互绕转的高致密性天体创造了超高辐射能量的引力波,科学家在地面上能够探测到引力波的经过。直到现在,没有任何一项实验证实了理论预测的引力波,一切艰巨的探测行动似乎都“前功尽弃”。斯坦福大学的皮特·格雷厄姆率领了一个物理学家小组,通过应用了一种新的、被称之为“原子干涉法”,他们使得隐藏在宇宙时空背景的引力场“重见光明”。格雷厄姆认为,迄今没有一个人看到了引力波,没有看到引力的波动现象,这不能说明它们不存在,科学小组对建造一部“引力波望远镜”的设想感到兴奋无比、信心十足,他们相信能够以引力波的视角来审视我们的大宇宙。通过研究镶嵌在时空的引力波纹、或引力涟漪的信息,科学家将获得多种认识,诸如:宇宙物体如何产生、中子星、黑洞和其它高致密天体的独特性质、目前不能很好解释的引力神秘性。致密天体的超强引力场远远大于科学家在实验室创造的引力条件。

以“原子干涉仪”探测时空引力波

———引力波探测器

激光干涉仪是一种目前搜索引力波的实验仪器,例如:在路易斯安那州和华盛顿州建成了极为敏感的激光干涉仪引力波天文台(LIGO),引力波探测器发出了两个“激光手臂”,探测器之间的距离为1、2英里(2公里)到2、5英里(4公里),处于三角顶点形位置的探测器发出的两道激光呈相互垂直的关系,当时空的引力波涟漪穿越“激光长墙”时,它们能够引起激光长度的扰动和扭曲,计算机及时地记录变化的数据。激光干涉仪引力波天文台(LIGO)能够探测“激光长墙”微小的长度变化,它根据引力波的方向伸展一个“激光手臂”的长度,相应地缩短另一个“激光手臂”的长度。然而,这种高灵敏度的探测器存在一个明显的缺陷,它容易受到激光噪音的影响,随机波动的激光噪音掩盖了引力波信号,从而妨碍了对真正引力波的探测。为了避免激光噪音的影响,格雷厄姆和他的同事设想了用原子发生器代替激光器的方法,他们计划用原子束、而不是用激光束来测量引力波的扰动。

以“原子干涉仪”探测时空引力波

———原子干涉仪的原理和应用

根据量子物理学的基本原理,微观粒子具有粒子性和波动性的双重特征,粒子性使得原子看起来像一粒微小的弹子球,波动性使得原子看起来像微小的一团云雾。粒子的运动轨迹由量子力学的波动方程式来描述,在某一个特定的时间点,粒子可能既在这里,又在哪里,在某一个特定的地点,粒子可能既在这个时刻,又在那个时刻,直接观测将影响到粒子的行为。原子干涉仪的研制利用了原子运动轨迹的波动函数方程,原子“既在这里,又在哪里”的奇异性可以用于测量引力波的变化,当引力波穿越原子干涉仪时,同时处于两种状态的原子将会发生加速运动的现象。

以“原子干涉仪”探测时空引力波

为了测量原子的加速现象,研究人员设想了发射两台原子干涉仪,将两颗搭载原子干涉仪的卫星发送到太空轨道,两颗卫星被分开一定的距离,引力波信号在两个地点的呈现有所不同不同,科学家通过对比分析将信号中的激光噪音进行清除,从而得到原子加速运动的正确数据。在太空进行的实验用激光束照射两台原子干涉仪,在太空进行实验避免了地面的震动和摇晃,消除了地面震动造成的检测偏差。斯坦福大学的格雷厄姆科学小组预计,新的原子干涉仪项目需要花费1亿到10亿美元,所需费用比激光干涉仪项目大幅下降,其中的主要原因在于:太空激光干涉仪实验方案需要发射三颗卫星,而太空原子干涉仪方案只需发射两颗卫星。2011年,一项由美国和欧洲的科学家联合发起的引力波搜索激光干涉仪空间天线使命(LISA)由于缺乏资金而被迫取消。

以“原子干涉仪”探测时空引力波




(编译:2013-5-6)