引力波被稱之為時(shí)空的漣漪,通常與黑洞等大質(zhì)量天體有關(guān),但我們也可在實(shí)驗(yàn)室里用激光制造出引力波,甚至能用它們來傳遞信息。
文 | 陳強(qiáng)
廣義相對(duì)論認(rèn)為,任何有質(zhì)量的物體在加速運(yùn)動(dòng)時(shí),都會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生漣漪,從所在的位置以光速向外傳播,這種時(shí)空的漣漪就是引力波。
然而,大多數(shù)物體產(chǎn)生的引力波都極其微弱,只有那些劇烈的天文事件,比如黑洞或中子星的合并,才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的可被我們觀測(cè)到的引力波。2015 年 9 月,人類借助激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)首次直接探測(cè)到引力波,但當(dāng)它們傳到地球上時(shí),引力波造成的時(shí)空變化,其幅度僅僅是一個(gè)原子核直徑的千分之一。
因此,在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造引力波,似乎是一件難以想象的事情。但是,根據(jù)最近的一篇預(yù)印本論文,有一個(gè)研究小組正在制定一個(gè)方案,使之成為可能。
用激光來制造引力波
預(yù)印本論文的作者之一,法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的物理學(xué)家基利?安馬蒂諾(Killian Martineau)表示,如果能在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造可控的引力波,我們就可以從中學(xué)習(xí)到很多有關(guān)引力和宇宙學(xué)的知識(shí),比如可以用它們來檢驗(yàn)不同的引力理論,而不必依賴于來自遙遠(yuǎn)天體的引力波信號(hào)。
他們提出的方案是,利用一束高功率的“扭曲”的激光(一種具有軌道角動(dòng)量的激光)就可以產(chǎn)生出高頻的引力波,而且這種引力波還能夠被相應(yīng)的儀器探測(cè)到。
但是激光怎么能創(chuàng)造出引力波呢?這都要?dú)w功于愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式:E=mc2。質(zhì)量可以產(chǎn)生引力和引力波,而能量是質(zhì)量乘以光速的平方,所以能量也可以產(chǎn)生引力和引力波。就像質(zhì)量與引力的關(guān)系一樣,能量越高的物體產(chǎn)生的引力也越強(qiáng),同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的引力波。
這個(gè)研究小組在理論上分析了幾種非常強(qiáng)大的激光,比如那些用于核聚變反應(yīng)堆的激光,來看看它們會(huì)產(chǎn)生什么樣的引力波。結(jié)果表明,與黑洞合并等天文事件產(chǎn)生的引力波不同,激光產(chǎn)生的引力波會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生復(fù)雜的波模式,其頻率比 LIGO 等探測(cè)器所能探測(cè)到的引力波頻率高出數(shù)萬億倍。
然后,他們開始嘗試找出檢測(cè)這些引力波的辦法。理論上,他們有兩個(gè)可行的選項(xiàng)。一個(gè)是在附近放置一個(gè)額外的激光,它會(huì)對(duì)產(chǎn)生的引力波做出可檢測(cè)的反應(yīng);另一個(gè)是利用磁場(chǎng)把這些引力波轉(zhuǎn)化為光,并觀察產(chǎn)生的光。
該研究有助于實(shí)現(xiàn)引力波通信
這個(gè)研究小組也表示,在實(shí)驗(yàn)室里制造出可探測(cè)的引力波,或許還需很多年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。但如果我們最終能夠做到的話,還可能有助于實(shí)現(xiàn)引力波通信。
無線電波在通信技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,但它們也容易受到各種因素的影響,造成信號(hào)的衰減、失真和干擾。而引力波卻有著非凡的優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗鼈兡軌驇缀鯚o損地穿越任何東西。這意味著,引力波不僅能夠讓我們觀測(cè)到那些光線被遮擋的遙遠(yuǎn)天體,它們還能夠成為一種全新的信息載體,讓我們實(shí)現(xiàn)更高效的通信。例如,引力波信息可直接穿過地球從地球的一端傳送到另一端,從而實(shí)現(xiàn)快速的信息傳遞。
當(dāng)然,這一切都還只是理論上的可能,要實(shí)現(xiàn)真正的引力波通信,還有很長(zhǎng)的路要走。
參考文獻(xiàn):https://arxiv.org/abs/2309.04191
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