引力波与量子理论（量子技术取得成果）

地面上的仪器，试图让世人“看见”，宇宙深处的涟漪。

图解：处女座天文台研究人员正在压缩光

图源：H. Lück/B. Knispel/马克思·普朗克引力物理研究所

物理学家们正在汇报一项测试的结果，该测试旨在压缩宇宙内的真空，以便更好地检测碰撞黑洞产生的

。

像两个黑洞或者两个超新星相互碰撞这样极端地外事件，可能会在太空中产生称为引力波的涟漪。在地球上，一个天文台试图使用激光来探测这些涟漪，但由于波的影响是如此微妙，即使是内置在真空中的随机性也会影响实验的灵敏度。但是通过几十年研究出的这种新方法已经使研究人员能够降低这种干扰并扩大引力波探测的范围。

这项研究的人员之一，工作在LIGO的麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所首席研究员、科学家丽萨·巴索蒂（Lisa Barsotti）表示：“该方法能使我们扩大探测引力波的范围。”

图解：引力波模型

图源：T. Pyle/加州理工/麻省理工学院/激光干涉引力波天文台（LIGO）实验室

激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座引力波天文台依靠的是重叠激光束产生而干涉图样的原理。激光束进入光学元件，而后被分成两束，每束光分别沿着两条两公里长的管道到达镜面，然后被镜子反射并与光学元件重新结合。光（甚至是激光）会以波的形式传播，因此，当光束重新汇聚在一起时，它们会形成一个新的波。引力波通过时会稍微改变其中一个激光束的传播距离，当激光束彼此同相和异相传播时，激光束的签名会留在相应的最终波上。

但是，在重新组合激光之后，它必须穿过机器真空内的量子涨落。量子力学的一个结论，即控制亚原子粒子如何相互作用的理论，它提出：在最小尺度上，能量存在大小浮动。这些波动为光粒子到达检测器的时间带来了一定程度的不确定性，这限制了检测器的灵敏度，因为很难看到引力波呈现的光相位的变化。现在，物理学家已经找到了一种在实验的最后一步引入“压缩真空态”的方法来抑制那些量子波动。

量子力学的核心原理之一是海森堡不确定性原理，它提出：某些特定的属性对，例如粒子的位置、动量或能量、到达时间，无法同时被精确地测量。增加其中一个值的精度会降低另一个值的精度，反之亦然。压缩是一种提高物理学家更感兴趣的值的精度（并降低噪声）的方法，而这却以牺牲其他值的精度为代价。

图解：黑线显示给定频率下的噪声量，没有压缩；绿色显示了压缩的效果——噪音更少

图源：LIGO

噪声抑制机制的主力军是一种具有可调光学特性的特殊晶体。晶体将穿过它的激光束与真空的能量波动联系起来，从而使研究人员可以建立一个新的领域，在该领域中，他们已经将他们更感兴趣的特性（相位）的噪声转移到了他们不那么感兴趣的特性（幅度）上。他们将这些光传回干涉仪的输出端，在那里用新的压缩场代替了嘈杂的真空，这样最终激光输出时相位的噪音更小，而幅度的噪音较大。为了减少晶体本身带有的杂散光产生的噪声，挤压器的核心组件位于LIGO真空装置内。研究人员在《物理评论快报》上发表的论文中报道了这种方法成功应用在今天的LIGO和处女座引力波天文台的探测器中的消息。

这太重要了。澳大利亚国立大学物理学教授平高林（Ping Koy Lam）并未参与这项研究，但他致力于引力波探测器压缩时空的实验，他在电子邮件中告诉天文在线：“这项成果很好地证明了量子技术如何增强精密仪器并突破科学的界限。”

天下没有免费的午餐——振幅噪声出现在其他地方，从而导致低频引力波的不确定性略有增加。麻省理工学院天体物理学教授纳尔吉斯·马瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）告诉天文在线，未来，物理学家希望减小低频引力波的振幅，增大高频引力波的相位。

LIGO和处女座引力波天文台现在通过这种压缩的方法来提高灵敏度，继续从碰撞的黑洞中寻找引力波。但是对于论文的主要作者，研究生玛格谢（Maggie Tse）来说，最令人兴奋的事情之一是看到原本难以理解、难以测量的量子物理学世界经常出现在现实生活中。她告诉天文在线：“将令人捉摸不透的量子态转变为有形的东西，这太神奇了。”

作者: Ryan F. Mandelbaum

FY: 舞马

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