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，而據一些物理學家的計算，它還恰好是最好的發射引力波的儀器。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。
上周美國物理學會的一次會議上，來自加州理工學院的Belinda Pang在做報告時就說：“我們對LIGO進行引力波探測上的優化的同時，也進行了引力波發射上的優化”。
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，于是就等效產生了重力。愛因斯坦預測，當兩個物體互相旋轉時也會產生引力波，而LIGO的1000多位物理學家已經兩次探測到了兩個大質量黑洞合并時發射出的引力波。
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，當某一條臂的長度發生了變化，激光就會相應地發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生引力波。為了證明這個結論，Pang和她的同事專門建立了一個量子力學模型，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的物理學家必須保證光波的波峰和波谷—即相位—保持絕對的穩定。受制于量子力學的不確定性原理，這種情況下的光波振幅必然不會穩定。這種不可避免的振幅擾動會對反射鏡產生隨機的沖力，使鏡子產生微小的運動從而激起時空的漣漪，Pang說。當然，和你甩出一個保齡球所產生的引力波相比，LIGO產生的引力波可以真算不了什么，但是效率卻是最佳的。
“這個結論并不出乎意料”，北京師范大學的物理學家Fan Zhang說，“這個探測器的本質就是它與引力波的耦合，一旦發生了耦合，探測引力波和發射引力波就是一回事了。”
雖然微弱到無法直接被觀測，LIGO產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，Pang說。量子力學下的微觀粒子可以同時出現在兩個地方，很多物理學家就大膽地推測，也許我們可以做到讓宏觀物體處于相似的量子態中。
這種微秒的狀態不會持續太久，系統受外部世界影響會發生“退相干”效應，從而坍塌到某一個確定的狀態。“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。一些物理學家認為重力在宏觀物體量子態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，但實現起來非常有具挑戰性，”Pang的合作者同時也是加州理工學院的物理學家Yiqui Ma說到，“為了看到引力波的量子效應，研究人員必須消除其它所有的退相干源。”Pang認同了這一點，“真是難以至信的困難”，她說，“但是也只有LIGO有條件實現它了。”
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