寻找时空中的引力波:科学家控制量子运动至量子基态
2016-5-21 9:57:05

凤凰科技讯 北京时间9月7日消息,据英国每日邮报报道,时空织布里的涟漪或可以揭示宇宙在140亿年前是如何产生的,然而寻找这些名为“引力波”的涟漪却一直难以捉摸。现在美国科学家们声称他们发现了改善用于检测宇宙大爆炸的引力波的探测器的方法。

宇宙大爆炸残留的引力波

美国加州理工学院的研究人员表示他们发现了在一个相对大的物体里观察和控制某种名为“量子运动”的方法。在量子力学里,主导物质和光行为的原则发生在原子规模,没有完全处于休息状态的。“在过去几年里,我的研究小组和全世界其它几个科研小组了解了如何冷却微米级别物体的运动,从而在底部产生这种状态,或者称为量子基态。”加州理工学院应用物理学教授基思?施万布(Keith Schwab)这样说道。

量子基态

“但是我们知道,即使在量子基态,在零度的温度下,仍会产生微小的波动,或者噪声。” 理论上来说量子运动或者噪声是所有物体运动的内在部分,它可以摆脱用于测量引力波的敏感探测器。施万布和他的同事设计了一款设备,使得他们可以观察到这个噪声并操控它。

这个微米级别的设备是由一个位于硅表面上方的灵活铝盘组成的。这个铝盘被偶联到一个超导电路,后者每秒振动350万次。根据经典力学定律,如果被冷却到基态,振动结构最终将达到完全的停止状态。但是当施万布和他的同事在实验里将弹簧冷却到基态时,他们所观察到的结果却并非如此:他们发现参与的能量-量子噪音仍然存在。

能量-量子噪音仍然存在

“这个能量是自然量子描述的一部分,你无法剔除它。” 施万布说道。“我们都知道量子力学精确的揭示了电子的行为为何如此怪异。在这里,我们将量子力学应用到相对大的东西上,也就是一个你可以在光学显微镜下看到的设备,然后我们在几万亿个原子里观察到这个量子效应。”

然后,研究人员发明了一种方法操控内在的量子噪声,结果发现可以将它周期性的减少。“描述噪声或者运动有两个主要的变量,” 施万布解释道。“我们的研究展示了我们其实可以让其中一个变量的波动变得更小——代价是让另一个变量的量子波动变得更大。这就是所谓的量子压缩态,我们在一个方面压缩噪声,但是这种压缩导致噪声在其它地方喷射出来。但只要这些更多噪声的地方不是你需要进行测量的地方,那就无所谓。”

控制量子噪声的能力或将有一天被用于提高非常敏感的测量的精确度,例如在雷射干涉仪重力波观测站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, 简称LIGO)进行的测量。它被由加州理工学院和麻省理工学院带领的研究项目用于搜寻时空织布里的涟漪引力波。

“我们一直在思考使用这些方法检测脉冲星发出的引力波,脉冲星是异常密集的恒星,它的质量与太阳相当,但却被压缩成半径只有10千米,每秒旋转10至100次。在二十世纪七十年代,加州理工学院的物理学家基普?索恩(Kip Thorne)等人在发表的文章中表示,这些脉冲星应该以近周期性的频率发射引力波,” 施万布说道。“所以我们一直在思考如何将这些这些方法应用在小规模物体上,以减少探测器里的量子噪声,从而增加接收这些引力波的敏感性。”

为了实现这一点,目前的设备必须被放大。“我们的工作旨在检测越来越大规模的量子力学,有朝一日,我们希望这将最终开始检测到某些大至引力波的庞然大物。”这项研究被发表在期刊《科学》上。(编译/严炎刘星)

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