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激光探測引力波遭質疑:新技術來幫忙

2017-07-19   來源:科技日報   評論:0
摘要: 激光干涉儀引力波觀測臺(LIGO)宣布第三次探測到引力波不過一月有余,近日美國《連線》雜志報道稱,幾位獨立物理學家對2016年2月LIG
       激光干涉儀引力波觀測臺(LIGO)宣布第三次探測到引力波不過一月有余,近日美國《連線》雜志報道稱,幾位獨立物理學家對2016年2月LIGO第一次探測到的引力波相關數據提出了質疑。丹麥物理學家安德魯·杰克遜和其他4人聯名給《量子雜志》寫信表示,他們對當時的引力波觀測數據進行詳細分析后發現了無法解釋的關聯噪音,這意味著,當時探測到的可能根本不是真正的引力波信號,而是聲音大一點的噪音。

雖然有LIGO科學合作會成員公開駁斥了質疑,認為噪音結論可能是代碼錯誤所致,但因激光干涉儀激光會產生量子效應,量子噪音會對引力波探測靈敏度造成嚴重干擾。因此,只有不斷提高靈敏度,這些質疑才會銷聲匿跡。

分別位于美國南海岸利文斯頓(左)和西北海岸漢福德(右)的LIGO干涉儀。

為了降低量子噪音,LIGO項目組在德國GEO600探測儀不斷測試其新技術,利用光電子學領域的進展對激光進行壓縮,將LIGO探測器的靈敏度提高了50%。而一些量子物理學家們雖然沒有參與引力波探測,但為提高引力波探測的靈敏度不斷提出創新性理念,就在本周,《自然》雜志刊登了丹麥科學家們提出的一種全新技術,理論上能將引力波探測器的靈敏度提高一倍。

量子噪音帶來的“煩惱”

LIGO的兩個干涉儀分別位于美國南海岸利文斯頓和西北海岸的漢福德,每個干涉儀都由相互垂直成L形的兩個4千米長真空鋼管臂組成,每個管臂兩端都安裝很多加工精細的鏡子。當一束激光經過干涉儀時,激光束會分成兩束分別沿著兩個管臂行進。

當有引力波出現時,其中一個管臂會伸長,而另一個管臂會被壓縮,使得兩束激光沿著兩個管臂行進的距離不同,當再次相遇時就會變得不同步。利用這個原理,LIGO的靈敏度足以探測到只有質子直徑萬分之一(即10-19米)的目標移動距離。因此,即使引力波信號極其微弱,LIGO干涉儀也能將其捕捉。

因靈敏度極高,LIGO干涉儀很容易受到來自背景噪音的干擾。對于遠處卡車隆隆聲以及溫差波動等的干擾,科學家們已經有了應對之策,但激光器所產生的激光光束的量子力學波動噪音,往往會將微弱的引力波信號淹沒。到達LIGO探測器的激光束內的光子數量不確定性,給移動距離的測量也帶來不確定性;不知道具體數量的光子,通過撞擊LIGO鏡面時施加的動量沖力,也造成了鏡面移動,進一步增加了測量結果的不確定性。

壓縮激光“抑制”干擾

為解決激光量子噪音干擾,LIGO實驗組與德國GEO600引力波探測儀項目組合作,采用壓縮光技術來弱化量子噪音。現在這些壓縮光技術已經在GEO600干涉儀中正式使用,并在LIGO干涉儀進行了初步試用。其原理就是利用量子力學定律中的漏洞,通過增加光的一種特征波動來減少光的另一種特征波動。

GEO600靈敏度雖然不及LIGO,但LIGO所用的多項核心技術都是GEO600團隊的科學家提出設想并在GEO600完成測試的。GEO600項目科學家提出,通過壓縮光技術減少激光位移的不確定性,可提高高頻率波段的引力波探測的精度,而通過壓縮光技術減少激光動量的波動,可提高探測低頻波段引力波的靈敏度。

但目前的壓縮光技術,要么只能減少激光位移波動,要么只能減少激光動量波動,不能同時降低兩種量子噪音效應。LIGO希望在5年內,使用一種名叫“過濾空腔”的技術,實現對兩種激光量子噪音的同步壓縮,以改進LIGO對引力波全波段探測的靈敏度。

新技術是個“潛力股”

《自然》雜志刊登的最新成果是由丹麥哥本哈根大學尼爾斯·波爾研究所物理學家尤金·波茲克帶領其團隊完成。他們讓激光在撞擊目標之前,先通過氣態金屬銫原子云,向激光施加一個反方向的動力,將激光的動量波動完全“抵消”,從而將量子效應帶來的不確定性降低了34%。

波茲克團隊已經開始與莫斯科大學和俄羅斯量子中心開展合作,進一步對這一技術進行改進。馬克斯·普朗克引力波物理學研究所和LIGO等機構的研究人員也在與波茲克團隊商討合作事宜。

雖然這一新技術還沒在引力波探測中進行驗證,但LIGO項目組成員、美國麻省理工學院(MIT)物理學家納吉斯·馬瓦瓦那認為,初步統計結果顯示,該技術非常具有潛力。波茲克表示,再經過5到10年的發展,該技術或能將引力波探測儀的靈敏度提高一倍。

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