世界上最大的引力波天文台将光压缩到量子极限,用来探测提高精度
来自星星的小胖子
2023-10-26 15:20:28
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原标题:世界上最大的引力波天文台将光压缩到量子极限,用来探测提高精度

引力波是什么?它们是由太空中运动的质量物体产生的时空波纹,就像水中扔石头一样。引力波的概念最早是由法国物理学家 昂利·庞加莱 在1905年提出的,但他没有给出具体的数学描述。1916年, 阿尔伯特·爱因斯坦 基于 广义相对论 给出了引力波的理论预测,并计算出它们的性质和传播方式1。引力波具有非常重要的意义,因为它们可以让我们探测到一些电磁波无法观测到的天文现象,比如黑洞、中子星、超新星等。2016年2月11日,人类历史上第一次直接探测到引力波,其源自于两个黑洞在合并时产生。

那么,科学家们是怎么探测引力波的呢?他们使用了一个叫做激光干涉仪重力波观测台(LIGO)的装置。LIGO由两个巨大的L形探测器组成,每个探测器有两条长达4公里的手臂,里面有两束相同的激光。当引力波穿过地球时,它们会扭曲时空,导致探测器中一个手臂的激光被压缩,另一个手臂的激光被拉伸。这样就会造成两束激光到达探测器的相对路径长度发生微小的变化。通过测量这种变化,科学家们就能知道引力波的存在和特征。

不过,要探测到引力波并不容易。因为它们造成的时空扭曲非常微弱,通常只有一个原子核大小的千分之一。所以,LIGO必须非常敏感,才能区分出真正的信号和其他干扰。但是,这也带来了一个问题:量子噪声。量子噪声是由亚原子粒子自发地相互作用产生的随机现象,它会影响激光光的性质,比如功率和频率。高频噪声来自于不断出现和消失的微小粒子。低频噪声来自于反射光粒子撞击镜子而产生的震动。这两种噪声都限制了LIGO能够探测到的引力波的数量和类型。

为了解决这个问题,物理学家们想出了一个巧妙的办法:利用海德堡不确定性原理。这个原理说,我们不能同时准确地知道一个粒子的两个物理性质,比如位置和速度。这意味着,在测量激光光时,我们必须在功率和频率之间做出权衡。但这也意味着,我们可以通过牺牲一个性质来增强另一个性质。物理学家们利用一种特殊的晶体,把单个光子或光包分裂成两个纠缠的光子,并对它们进行调节,使得它们背后的不确定度可以按需“压缩”。这就是所谓的“挤压”技术。

最近,世界上最大的引力波天文台(LIGO和Virgo) 的科学家们创造了一种新型的挤压技术:频率依赖型挤压。这种技术可以根据不同频率对激光光进行不同程度的挤压。在低频下,挤压功率可以减少镜子震动的影响。在高频下,挤压频率可以让信号比量子扰动更明显。这样,就可以同时降低高频和低频的噪声,提高探测器的灵敏度。这种技术有点像捏气球。就像在一端捏住一个气球可以让另一端变得更大一样,我们可以用更大的确定性捏住一个光的性质,来把不确定性转移到另一个性质上。

“其实,我们做的是非常酷的量子实验,但真正的目的是,这是提高LIGO灵敏度的最简单的方法,”这项研究的合著者之一,麻省理工学院的研究生Dhruva甘帕西说。“否则,我们就得加强激光器,但激光器也有它自己的问题,或者我们就得增加镜子的尺寸,但那会很贵。”

通过使用频率依赖型挤压技术,科学家们希望能够探测到更多和更远的引力波事件,比如中子星和黑洞的碰撞。这些事件不仅能揭示宇宙的奥秘,还能验证爱因斯坦的广义相对论。这是一项具有划时代意义的天文学工作。

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