雖然有LIGO科學(xué)合作會(huì)成員公開(kāi)駁斥了質(zhì)疑認(rèn)為噪音結(jié)論可能是代碼錯(cuò)誤所致但因激光干涉儀激光會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)量子噪音會(huì)對(duì)引力波探測(cè)靈敏度造成嚴(yán)重干擾因此只有不斷提高靈敏度這些質(zhì)疑才會(huì)銷聲匿跡

為了降低量子噪音LIGO項(xiàng)目組在德國(guó)GEO600探測(cè)儀不斷測(cè)試其新技術(shù)利用光電子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展對(duì)激光進(jìn)行壓縮將LIGO探測(cè)器的靈敏度提高了50%而一些量子物理學(xué)家們雖然沒(méi)有參與引力波探測(cè)但為提高引力波探測(cè)的靈敏度不斷提出創(chuàng)新性理念就在本周《自然》雜志刊登了丹麥科學(xué)家們提出的一種全新技術(shù)理論上能將引力波探測(cè)器的靈敏度提高一倍

量子噪音帶來(lái)的煩惱

LIGO的兩個(gè)干涉儀分別位于美國(guó)南海岸利文斯頓和西北海岸的漢福德每個(gè)干涉儀都由相互垂直成L形的兩個(gè)4千米長(zhǎng)真空鋼管臂組成每個(gè)管臂兩端都安裝很多加工精細(xì)的鏡子當(dāng)一束激光經(jīng)過(guò)干涉儀時(shí)激光束會(huì)分成兩束分別沿著兩個(gè)管臂行進(jìn)

當(dāng)有引力波出現(xiàn)時(shí)其中一個(gè)管臂會(huì)伸長(zhǎng)而另一個(gè)管臂會(huì)被壓縮使得兩束激光沿著兩個(gè)管臂行進(jìn)的距離不同當(dāng)再次相遇時(shí)就會(huì)變得不同步利用這個(gè)原理LIGO的靈敏度足以探測(cè)到只有質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一即10-19米的目標(biāo)移動(dòng)距離因此即使引力波信號(hào)極其微弱LIGO干涉儀也能將其捕捉

因靈敏度極高LIGO干涉儀很容易受到來(lái)自背景噪音的干擾對(duì)于遠(yuǎn)處卡車隆隆聲以及溫差波動(dòng)等的干擾科學(xué)家們已經(jīng)有了應(yīng)對(duì)之策但激光器所產(chǎn)生的激光光束的量子力學(xué)波動(dòng)噪音往往會(huì)將微弱的引力波信號(hào)淹沒(méi)到達(dá)LIGO探測(cè)器的激光束內(nèi)的光子數(shù)量不確定性給移動(dòng)距離的測(cè)量也帶來(lái)不確定性不知道具體數(shù)量的光子通過(guò)撞擊LIGO鏡面時(shí)施加的動(dòng)量沖力也造成了鏡面移動(dòng)進(jìn)一步增加了測(cè)量結(jié)果的不確定性

壓縮激光抑制干擾

為解決激光量子噪音干擾LIGO實(shí)驗(yàn)組與德國(guó)GEO600引力波探測(cè)儀項(xiàng)目組合作采用壓縮光技術(shù)來(lái)弱化量子噪音現(xiàn)在這些壓縮光技術(shù)已經(jīng)在GEO600干涉儀中正式使用并在LIGO干涉儀進(jìn)行了初步試用其原理就是利用量子力學(xué)定律中的漏洞通過(guò)增加光的一種特征波動(dòng)來(lái)減少光的另一種特征波動(dòng)

GEO600靈敏度雖然不及LIGO但LIGO所用的多項(xiàng)核心技術(shù)都是GEO600團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家提出設(shè)想并在GEO600完成測(cè)試的GEO600項(xiàng)目科學(xué)家提出通過(guò)壓縮光技術(shù)減少激光位移的不確定性可提高高頻率波段的引力波探測(cè)的精度而通過(guò)壓縮光技術(shù)減少激光動(dòng)量的波動(dòng)可提高探測(cè)低頻波段引力波的靈敏度

但目前的壓縮光技術(shù)要么只能減少激光位移波動(dòng)要么只能減少激光動(dòng)量波動(dòng)不能同時(shí)降低兩種量子噪音效應(yīng)LIGO希望在5年內(nèi)使用一種名叫過(guò)濾空腔的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種激光量子噪音的同步壓縮以改進(jìn)LIGO對(duì)引力波全波段探測(cè)的靈敏度

新技術(shù)是個(gè)潛力股

《自然》雜志刊登的最新成果是由丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯波爾研究所物理學(xué)家尤金波茲克帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)完成他們讓激光在撞擊目標(biāo)之前先通過(guò)氣態(tài)金屬銫原子云向激光施加一個(gè)反方向的動(dòng)力將激光的動(dòng)量波動(dòng)完全抵消從而將量子效應(yīng)帶來(lái)的不確定性降低了34%

波茲克團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始與莫斯科大學(xué)和俄羅斯量子中心開(kāi)展合作進(jìn)一步對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)馬克斯普朗克引力波物理學(xué)研究所和LIGO等機(jī)構(gòu)的研究人員也在與波茲克團(tuán)隊(duì)商討合作事宜

雖然這一新技術(shù)還沒(méi)在引力波探測(cè)中進(jìn)行驗(yàn)證但LIGO項(xiàng)目組成員美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT物理學(xué)家納吉斯馬瓦瓦那認(rèn)為初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示該技術(shù)非常具有潛力波茲克表示再經(jīng)過(guò)5到10年的發(fā)展該技術(shù)或能將引力波探測(cè)儀的靈敏度提高一倍