激光干涉儀引力波觀測臺（LIGO）宣布第三次探測到引力波不過一月有余，近日美國《連線》雜志報道稱，幾位獨立物理學家對2016年2月LIGO第一次探測到的引力波相關數(shù)據(jù)提出了質(zhì)疑。丹麥物理學家安德魯·杰克遜和其他4人聯(lián)名給《量子雜志》寫信表示，他們對當時的引力波觀測數(shù)據(jù)進行詳細分析后發(fā)現(xiàn)了無法解釋的關聯(lián)噪音，這意味著，當時探測到的可能根本不是真正的引力波信號，而是聲音大一點的噪音。
雖然有LIGO科學合作會成員公開駁斥了質(zhì)疑，認為噪音結論可能是代碼錯誤所致，但因激光干涉儀激光會產(chǎn)生量子效應，量子噪音會對引力波探測靈敏度造成嚴重干擾。因此，只有不斷提高靈敏度，這些質(zhì)疑才會銷聲匿跡。
分別位于美國南海岸利文斯頓（左）和西北海岸漢福德（右）的LIGO干涉儀。
為了降低量子噪音，LIGO項目組在德國GEO600探測儀不斷測試其新技術，利用光電子學領域的進展對激光進行壓縮，將LIGO探測器的靈敏度提高了50%。而一些量子物理學家們雖然沒有參與引力波探測，但為提高引力波探測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家們提出的一種全新技術，理論上能將引力波探測器的靈敏度提高一倍。
量子噪音帶來的“煩惱”
LIGO的兩個干涉儀分別位于美國南海岸利文斯頓和西北海岸的漢福德，每個干涉儀都由相互垂直成L形的兩個4千米長真空鋼管臂組成，每個管臂兩端都安裝很多加工精細的鏡子。當一束激光經(jīng)過干涉儀時，激光束會分成兩束分別沿著兩個管臂行進。
當有引力波出現(xiàn)時，其中一個管臂會伸長，而另一個管臂會被壓縮，使得兩束激光沿著兩個管臂行進的距離不同，當再次相遇時就會變得不同步。利用這個原理，LIGO的靈敏度足以探測到只有質(zhì)子直徑萬分之一（即10-19米）的目標移動距離。因此，即使引力波信號極其微弱，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自背景噪音的干擾。對于遠處卡車隆隆聲以及溫差波動等的干擾，科學家們已經(jīng)有了應對之策，但激光器所產(chǎn)生的激光光束的量子力學波動噪音，往往會將微弱的引力波信號淹沒。到達LIGO探測器的激光束內(nèi)的光子數(shù)量不確定性，給移動距離的測量也帶來不確定性；不知道具體數(shù)量的光子，通過撞擊LIGO鏡面時施加的動量沖力，也造成了鏡面移動，進一步增加了測量結果的不確定性。
壓縮激光“抑制”干擾
為解決激光量子噪音干擾，LIGO實驗組與德國GEO600引力波探測儀項目組合作，采用壓縮光技術來弱化量子噪音。現(xiàn)在這些壓縮光技術已經(jīng)在GEO600干涉儀中正式使用，并在LIGO干涉儀進行了初步試用。其原理就是利用量子力學定律中的漏洞，通過增加光的一種特征波動來減少光的另一種特征波動。
GEO600靈敏度雖然不及LIGO，但LIGO所用的多項核心技術都是GEO600團隊的科學家提出設想并在GEO600完成測試的。GEO600項目科學家提出，通過壓縮光技術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的精度，而通過壓縮光技術減少激光動量的波動，可提高探測低頻波段引力波的靈敏度。
但目前的壓縮光技術，要么只能減少激光位移波動，要么只能減少激光動量波動，不能同時降低兩種量子噪音效應。LIGO希望在5年內(nèi)，使用一種名叫“過濾空腔”的技術，實現(xiàn)對兩種激光量子噪音的同步壓縮，以改進LIGO對引力波全波段探測的靈敏度。
新技術是個“潛力股”
《自然》雜志刊登的最新成果是由丹麥哥本哈根大學尼爾斯·波爾研究所物理學家尤金·波茲克帶領其團隊完成。他們讓激光在撞擊目標之前，先通過氣態(tài)金屬銫原子云，向激光施加一個反方向的動力，將激光的動量波動完全“抵消”，從而將量子效應帶來的不確定性降低了34%。
波茲克團隊已經(jīng)開始與莫斯科大學和俄羅斯量子中心開展合作，進一步對這一技術進行改進。馬克斯·普朗克引力波物理學研究所和LIGO等機構的研究人員也在與波茲克團隊商討合作事宜。
雖然這一新技術還沒在引力波探測中進行驗證，但LIGO項目組成員、美國麻省理工學院（MIT）物理學家納吉斯·馬瓦瓦那認為，初步統(tǒng)計結果顯示，該技術非常具有潛力。波茲克表示，再經(jīng)過5到10年的發(fā)展，該技術或能將引力波探測儀的靈敏度提高一倍。
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