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LIGO不仅可以探测到引力波,还可以产生引力波

激光干涉仪引力波观测台(LIGO)是世界上最灵敏的探测时空涟漪的仪器,而据一些物理学家的计算,它还恰好是最好的发射引力波的仪器。虽然这些引力波过于微弱很难被检测到,但是研究人员相信,原则上它们可以检测到宏观物体之间的一些奇怪的量子效应。

施加在LIGO的反射镜上的量子冲力是世界上最有效率的引力波反射器

上周美国物理学会的一次会议上,来自加州理工学院的Belinda Pang在做报告时就说:“我们对LIGO进行引力波探测上的优化的同时,也进行了引力波发射上的优化”。

LIGO位于华盛顿州和路易斯安娜州的双探测器,它们各自有一对长达4km的垂直探测臂

阿尔伯特?爱因斯坦在1915年解释了重力的起源:引力波拉伸了空间本身。像地球这样的大质量物体扭曲了它周围的时空,物体自由运动的直线轨道被弯曲,于是就等效产生了重力。爱因斯坦预测,当两个物体互相旋转时也会产生引力波,而LIGO的1000多位物理学家已经两次探测到了两个大质量黑洞合并时发射出的引力波。

时隔3个多月,LIGO再次探测到引力波信号,来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的并合

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LIGO依靠的是它的两个极度精确的探测器,一个位于华盛顿洲的Hanford,另一坐落在路易斯安娜州的Livingston。每个探测器都有一对4千米长的相互垂直的探测臂。这两个探测臂其实就是两把长尺,研究人员通过激光可以测量这两个尺子的长度变化,进而探测空间的伸曲,而这种变化极其微小,用如此长的尺子都很难探测得到。

两个长尺的末端都装有40千克重的反射镜,激光就在这两个镜子之间来回反射,当某一条臂的长度发生了变化,激光就会相应地发生干涉加强和干涉减弱。研究人员就是通过这个叫做干涉测量的方法来获得尺长的变化。而引力波如此之微弱,为了探测到它,LIGO的测量精度必须达到一个质子大小的1/10,000。

但LIGO的极高的灵敏度也暗示了它能够高效产生引力波。为了证明这个结论,Pang和她的同事专门建立了一个量子力学模型,来解释空间的弯曲是如何影响在探测臂中来回穿梭的激光的。

为了使测量尽可能的精确,LIGO的物理学家必须保证光波的波峰和波谷—即相位—保持绝对的稳定。受制于量子力学的不确定性原理,这种情况下的光波振幅必然不会稳定。这种不可避免的振幅扰动会对反射镜产生随机的冲力,使镜子产生微小的运动从而激起时空的涟漪,Pang说。当然,和你甩出一个保龄球所产生的引力波相比,LIGO产生的引力波可以真算不了什么,但是效率却是最佳的。

“这个结论并不出乎意料”,北京师范大学的物理学家Fan Zhang说,“这个探测器的本质就是它与引力波的耦合,一旦发生了耦合,探测引力波和发射引力波就是一回事了。”

虽然微弱到无法直接被观测,LIGO产生的引力波仍然可以被用来探测宏观物体之间的量子效应,Pang说。量子力学下的微观粒子(比如电子)可以同时出现在两个地方,很多物理学家就大胆地推测,也许我们可以做到让宏观物体(比如LIGO的一个反射镜)处于相似的量子态中。

这种微秒的状态不会持续太久,系统受外部世界影响会发生“退相干”效应,从而坍塌到某一个确定的状态。“然而,我们可以获得退相干的速度,并与引力波的影响相比较”,Pang说。一些物理学家认为重力在宏观物体量子态坍塌的过程中起到了特殊的作用。

“这是一个很有意思的想法,但实现起来非常有具挑战性,”Pang的合作者同时也是加州理工学院的物理学家Yiqui Ma说到,“为了看到引力波的量子效应,研究人员必须消除其它所有的退相干源。”Pang认同了这一点,“真是难以至信的困难”,她说,“但是也只有LIGO有条件实现它了。”

编辑:梁柱

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