利用原子光探測引力波的新方法
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引力波會根據(jù)光的發(fā)射方向改變原子所發(fā)光的頻率(顏色)。對這些頻率變化的精確測量,可為探測引力波提供一種新方法。
一項新的理論研究指出,引力波可能在巨大的探測器中留下細微的痕跡,而是在原子發(fā)出的光中留下微妙的跡象。
引力波是宇宙中一些最極端事件引發(fā)的時空微弱波動,包括碰撞的黑洞。
迄今為止,科學(xué)家主要通過監(jiān)測千米尺度儀器(約0。6英里)上極其微小的距離變化來探測它們。諸如LIGO之類的設(shè)施已證實該方法可行,但該技術(shù)依賴于建造大型探測器以感知極其細微的時空畸變。
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一項發(fā)表在《物理評論快報》上的新理論研究提出了一種不同的思路。來自斯德哥爾摩大學(xué)、北歐理論物理研究所(Nordita)和圖賓根大學(xué)的研究人員建議,通過觀測引力波對原子所發(fā)光的影響來實現(xiàn)引力波的探測。盡管該構(gòu)想勾勒出一種潛在的探測方法,但目前尚未開展實驗驗證。
原子如何揭示引力波
受激原子會通過發(fā)射特定頻率的光而自然地躍遷至較低能級,這一量子過程稱為自發(fā)輻射。該過程源于原子與量子化電磁場之間的相互作用。
引力波會調(diào)制量子場,進而影響自發(fā)輻射過程,斯德哥爾摩大學(xué)博士研究生耶日帕喬斯表示,這種調(diào)制可使所發(fā)射光子的頻率相對于無引力波情形發(fā)生偏移。
研究人員預(yù)測,這種輻射具有方向依賴性。原子仍會以相同的總體速率發(fā)射光子,這有助于解釋為何該效應(yīng)此前一直未被察覺;但所發(fā)射光子的頻率會因發(fā)射方向不同而有所變化。這種方向性模式可能攜帶著引力波傳播方向和偏振狀態(tài)的信息,從而更易于將真實信號與背景噪聲區(qū)分開來。
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為什么這個想法很重要
低頻引力波是未來空間引力波觀測臺的重點探測目標(biāo)。研究團隊指出,原子鐘系統(tǒng)中采用的窄線寬光學(xué)躍遷可實現(xiàn)較長的相互作用時間,因此冷原子系統(tǒng)有望成為驗證這一概念的有效平臺。
原子發(fā)出的光就像一個穩(wěn)定的音調(diào),但經(jīng)過的引力波會微妙地改變在不同方向上聽到這個音調(diào)的方式。我們的研究結(jié)果可能為緊湊型引力波探測開辟一條新路徑,其中所涉及的原子系綜尺度僅為毫米級,斯德哥爾摩大學(xué)博士后研究員納文德阿亞表示,要評估其實際可行性,還需進行詳盡的噪聲分析,但我們的初步估算結(jié)果令人鼓舞。
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引力波對自發(fā)輻射的影響印記 作者:耶日帕喬斯、納文迪普阿亞、索菲亞克瓦福特、丹尼爾布勞恩、瑪格達萊娜齊赫 發(fā)表于《物理評論快報》
資助方:克努特與愛麗絲瓦倫堡基金會、瓦倫堡網(wǎng)絡(luò)與量子信息倡議計劃、瑪麗斯克沃多夫斯卡居里行動計劃、歐盟歐洲創(chuàng)新理事會路徑探索項目量子通信與測量
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引力波的首次直接探測發(fā)生在2015年,由激光干涉引力波天文臺(LIGO)完成,這一發(fā)現(xiàn)證實了百年前的理論預(yù)測,并開啟了引力波天文學(xué)的新紀(jì)元。不同于電磁波,引力波幾乎不受物質(zhì)阻擋,能夠攜帶關(guān)于宇宙極端環(huán)境的原始信息,為人類探索黑洞、中子星等致密天體提供了全新手段。
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探測引力波依賴于極其精密的儀器,例如LIGO和歐洲的Virgo探測器,它們通過測量激光在數(shù)公里長臂中的微小長度變化來感知時空的扭曲。這種變化通常小于一個質(zhì)子直徑的千分之一,因此需要排除地震、熱噪聲乃至量子漲落等多種干擾因素,技術(shù)挑戰(zhàn)極高。
引力波研究不僅深化了我們對引力本質(zhì)的理解,還為檢驗廣義相對論在強場條件下的有效性提供了實驗平臺。隨著更多探測器的加入和靈敏度的提升,未來科學(xué)家有望利用引力波繪制宇宙演化圖景,甚至探索宇宙誕生初期的奧秘。
BY: Stockholm University
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參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3.原文來自: https://scitechdaily.com/scientists-propose-a-radical-new-way-to-detect-gravitational-waves-using-atomic-light/
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