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找引力波, 爱因斯坦“自己”来帮忙

引力波是一个世纪前由爱因斯坦预言的一种波。根据他的广义相对论,引力是时空本身的弯曲,因此引力波就是时空受引力影响而发生变化时产生的一种波动。当宇宙中两个致密的天体,如黑洞、中子星或白矮星发生碰撞、合并时,都会发射强烈的引力波,引起周围时空的剧烈波动。

引力波遇到一个物体,就会使这个物体发生变形。譬如一个正方体,若受到从某一方向传来的引力波,它在这一方向上的尺寸就要发生变化,于是它不再是严格的正方体。反之,只要观察到了这种变形,就说探测到了引力波。但是那些能产生引力波的天体都离我们实在太遥远了,等引力波传到地球,信号已变得非常微弱,所以引力波是不容易探测到的。

庞大、精密的引力波探测器

目前,要在地球上直接探测引力波,需借助于庞大、精密的设备。典型的装置是引力波激光干涉仪。其原理是:引出一束激光,经过一块半透明的镜子之后,分成了两束,一束穿透镜子,沿原方向传播,另一束则被反射到垂直的路径上。两束激光在各自的路径上经多次反射之后,又汇聚于一点,在汇聚点发生干涉。

干涉所得到的图案则取决于两束激光走过的距离差。举个极端的例子:若距离差为零,说明两束激光走过相等的距离,它们的步调保持一致,那么干涉时中央就是一个亮斑。当引力波传来,引起空间微弱的伸缩,两束激光走过的距离差就会随之改变,这一改变将引起干涉图案发生变化。

引力波激光干涉仪是非常敏感的。比如说,在地球到太阳这么长的距离之内,哪怕发生了仅相当于一个原子尺寸的变化,它们都能探测到。另一方面,它们又是非常庞大的。例如德国的一个引力波激光干涉仪,坐落于两条相互垂直的隧道中,隧道各长4千米。计划中建造的新的引力波探测装置,可能还要动用数颗人造卫星。

爱因斯坦-玻色凝聚来帮忙

不过,有项技术也能达到同样的精度,而使用的设备,不比一张普通桌子大。其所依据的原理是爱因斯坦自己半个多世纪前提出的另一个现象,即玻色-爱因斯坦凝聚(简称玻爱凝聚)。

我们知道,微观粒子都是有自旋的,自旋是一种量子特性。一个粒子的自旋值,只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍,如0、1/2、1、3/2……个普朗克常数。自旋为整数的叫玻色子;自旋为半整数的叫费米子。有趣的是,玻色子和费米子在集体行为上的表现却大相径庭。简单地说,玻色子喜欢“扎堆”,费米子喜欢“独处”。当许多玻色子聚在一起,步调一致地行动时,我们就称发生了“玻爱凝聚”。

对于原子,在通常温度下,由于受热运动的干扰,玻爱凝聚是不容易发生的。1995年,科学家首次实现了在极低温下气态铷原子的玻爱凝聚:当温度降低到10-7K时,一大群铷原子聚在一起,表现得就像一个量子物体。在此情况下,若稍有扰动,原子团中就会产生一种可观察的振动。

科学家最近证明,处于玻爱凝聚态的原子团,可以用来探测引力波。

这些原子是被周围许多束激光困在一个“陷阱”里才实现玻爱凝聚的。先前的实验已证明,改变这口“陷阱”的尺寸或形状,即可对里面处于凝聚态的原子团产生干扰,形成振动。若有引力波传来,由于它是空间本身的一种波动,那么它就可能对“陷阱”的尺寸或形状产生影响,我们在原子团中就能探测到振动,从而证实引力波的存在。

当然了,这种装置太敏感了,所以实验时我们要排除外界的一切干扰。


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