史丹福大學正建造另一種引力波探測器，藏在地下的原子幹涉儀！

2020-10-18 博科園

史丹福大學地下室深處藏著一根10米高的管子，它被包裹在一個金屬籠子裡，並用電線覆蓋著。一道屏障將它與主房間隔開，在主房間之外，圓柱體跨越三層樓高，成為一個容納超冷原子的裝置，準備向上發射。堆滿雷射向原子發射的桌子（並分析它們對引力等力的反應）填滿了實驗室的其餘部分。該管是一個原子幹涉儀，一種定製的裝置，設計用於研究原子的波性質，根據量子力學，原子以粒子和波的形式同時存在。這個儀器可以用來探測引力波，引力波是天文物體產生時空擾動的微小漣漪（如中子星碰撞合併等）。

該儀器還可以揭示宇宙的另一個奧秘：暗物質。起初史丹福大學實驗物理學家Jason Hogan和Mark Kasevich從未打算讓他們的設備以這種方式實現。當Hogan開始他在Kasevich實驗室的研究生學習時，他轉而專注於測試引力對原子的影響。但與理論物理學家、物理學教授Savas Dimopoulos和研究生們的談話（經常被卡塞維奇辦公室對面大廳裡的一臺濃縮咖啡機引誘下樓）讓他們開始考慮它作為高靈敏度探測器的用途。史丹福大學人文與科學學院物理學和應用物理學教授Kasevich說：我們只是在談論物理學，就像物理學家經常做的那樣。

一件事導致了另一件事，這個小組達成了一個大膽的計劃：創造一個原子幹涉儀，能夠探測到以前沒有人見過的引力波。其想法與另一股席捲物理學的浪潮相契合，這股浪潮包含了為其他目的而開發的精緻靈敏的儀器，以回答關於自然的基本問題。早在2015年，雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)探測到了兩個超大質量黑洞之間13億年碰撞的簡簡訊號。從那時起，LIGO已經編目了更多穿過地球的引力波，為天文學家提供了一個研究宇宙的強大新鏡頭。引力波是時空中的漣漪，很像海浪，只不過它們扭曲了空間，而不是水。

理論上，任何加速的質量，無論是揮動的手還是軌道上的行星，都會產生引力波。然而，這些運動發生在遠低於我們探測它們能力的水平上。只有來自巨大天文現象的引力波才會引起足夠大的時空變化，以至於地球上的傳感器都可以識別它們。正如不同的頻率構成電磁頻譜一樣，引力波也是不同的。LIGO和其他電流引力波探測器探測到一個非常窄的範圍（高頻波，比如兩個黑洞碰撞時的高頻波）但引力波譜的其他部分仍未被探索。就像天文學家可以通過研究恆星的紫外光和可見光來了解新情況一樣。

分析其他引力波頻率數據可能有助於解決目前無法觸及的太空之謎，包括關於早期宇宙的奧秘。人文與科學學院(School Of Humanities And Sciences)的物理學助理教授霍根(Hogan)說：發現了一個光譜區域，其他任何探測器都沒有很好地覆蓋，它恰好與我們已經在開發的方法相匹配。建造了10米高的原子幹涉儀來測試這些想法。然而，為了提高設備的靈敏度（探測小於質子寬度的時空擺動所必需）需要一個更大的探測器。因此，100米的物質波原子梯度計幹涉傳感器，或稱MAGIS-100，實驗誕生了。

在戈登和貝蒂·摩爾基金會(Gordon And Betty Moore Foundation)980萬美元贈款的幫助下，科學家們計劃在位於伊利諾州的能源部國家實驗室Fermilab建造一個現有地下豎井，Magis-100的新家。費米實驗室參與該項目的高級科學家羅布·普朗克特(Rob Plunkett)說：可以在地面上找到洞，但要在地面上找到一個連接實驗室的洞有點困難。從概念上講，Magis-100的工作方式與LIGO類似，這兩個實驗都利用光來測量兩個測試質量之間的距離，就像雷達測距一樣。但是，雖然LIGO有鏡子，但Magis-100更傾向於原子。

事實證明，原子對於這些目的來說，是一個令人驚異的測試質量。科學家們有非常強大的技術來操縱它，讓它對所有背景噪聲源都不敏感。LIGO的鏡子掛在玻璃線上，這意味著地震可能會觸發它的傳感器。另一方面，MAGIS-100在某些地方有措施防止這些外來噪聲源影響其數據。在被冷卻到絕對零度以上的程度後，原子就像從水龍頭滴落的水滴一樣垂直下降到軸中。寒冷的溫度使原子處於靜止狀態，因此它們在下降時保持不動，因為軸是真空的，原子直線下降，沒有偏離軌道的風險。

豎井的垂直方向也確保了震動的地球不會影響測量。然後，雷射操縱下降的原子，研究小組可以測量它們處於激發狀態的時間。Hogan和Kasevich希望使用鍶作為測試質量（與原子鐘中使用的元素相同）以確定當光激發原子時是否存在任何時間延遲，延遲將表明引力波通過。此外，Magis-100科學家可以使用原子數據來測試暗物質模型做出的預測。根據一些模型，暗物質的存在可能導致原子能級變化，超靈敏的雷射技術允許Plunkett和合作者尋找這些變化。

朝向太空

Magis-100是一個原型，朝著建造一個更大的設備邁出了又一步，它的靈敏度要高出許多倍。Hogan和Kasevich表示，設想有一天能在LIGO的規模上建造一些東西，LIGO長4公裡。因為未來的全尺寸Magis-100應該能探測到1赫茲左右的低頻引力波，比如從兩個圍繞彼此旋轉黑洞發射的引力波，所以它可以識別出LIGO已經看到的相同事件，但在質量真正碰撞之前。因此，這兩個實驗可以相輔相成。可以製造一個探測器，可以看到同樣的系統，但要年輕得多。

先進的Magis式探測器也可能發現LIGO雷達下飛行的引力波來源。例如，原始引力波在大爆炸之後產生。探測起源於早期宇宙的引力波可以揭示實際發生的事情。沒有人知道這些原始引力波的頻率，也沒有人知道未來的大規模探測器能否探測到它們。科學家認為應該建立儘可能多的探測器，以便覆蓋廣泛的頻率範圍，並簡單地看到外面有什麼。令人興奮的已知來源是這些類似LIGO的來源，然後是未知的，我們也應該對此持開放態度。

博科園｜研究/來自：史丹福大學

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