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用量子力学原理,探测广义相对论中的引力波,不是冤家不聚头啊!

用量子力学原理,探测广义相对论中的引力波,不是冤家不聚头啊!
2020年07月02日 09:36 新浪网 作者 博科园

  爱因斯坦的广义相对论预言,引力波是由大质量物体的特定运动在时空中产生的涟漪。引力波的研究很重要,因为引力波可以让科学家探测到宇宙中的大事件,否则会留下很少或根本看不到的光,比如黑洞碰撞。2015年激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台合作首次观测到了引力波。这些波是从两个超大质量黑洞之间13亿年前的碰撞中发出。

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  科学家使用4公里长的光学干涉仪进行探测,因为这一事件在地球的时空中引起了涟漪。现在,伦敦大学学院、格罗宁根大学和华威大学科学家提出了一种基于量子技术的探测器,该探测器比目前使用的探测器小4000倍,可以探测到中频引力波。其研究发表在《新物理学》期刊上,详细介绍了如何使用最先进的量子技术和实验技术,建造能够同时测量和比较两个地点引力强度的探测器。

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  它可以通过使用重达10-17公斤的纳米级钻石晶体来工作,使用Stern-Gerlach干涉术,晶体将被放置在量子空间叠加中。空间叠加是晶体同时存在于两个不同位置的量子态。量子力学允许一个物体,无论多大,都可以同时在两个不同的地方进行空间离域。尽管量子力学的叠加原理与日常经验背道而驰,而且与我们的日常经验直接冲突,但它已经用中子、电子、离子和分子进行了实验验证。

  量子引力波探测器

  通讯作者Ryan Marshman(UCL物理与天文学和UCLQ)说:利用叠加原理已经存在了量子引力传感器。这些传感器被用来测量牛顿引力,构成了令人难以置信的精确测量设备。目前量子引力探测器使用的量子质量要小得多,比如原子,但实验工作正在发展新的干涉测量技术,使设备能够来研究引力波。发现,与LIGO相比,量子引力波探测器可以探测不同的引力波频率范围。

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  这些频率可能只有当科学家在基线大小为数十万公里的太空中建造大型探测器时才能使用。研究人员设想,新提出的较小探测器可以用来建立一个探测器网络,能够从背景噪声中挑选出引力波信号。这个网络也有潜在的用处,可以提供关于产生引力波物体位置的精确信息。合著者Sougato Bose教授(UCL物理与天文学和UCLQ)说:虽然新提出的探测器在范围上雄心勃勃。

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  但使用当前和不久的将来技术创造它,似乎没有任何根本或不可逾越的障碍。制造这种探测器的所有技术要素,都是在世界各地的不同实验中单独实现的:所需的力,所需的真空质量,以及晶体叠加的方法,困难在于将所有这些放在一起,并确保叠加完好无损。下一步,团队将与实验者合作,开始建造该设备的原型。重要的是,同一类探测器也可以帮助探测引力是否是量子力。

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  研究人员表示:最初是想开发探索非经典引力的设备。但是,由于实现这样的设备将是一项相当大的努力,所以这样的设备在测量非常弱的经典重力(如引力波)方面的效率很重要,并发现它很有前途!

  博科园|研究/来自:伦敦大学学院

  参考期刊《新物理学》

  DOI: 10.1088/1367-2630/ab9f6c

  博科园|科学、科技、科研、科普

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