黑洞或中子星在太空深處產(chǎn)生的引力波已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以到達地球。然而它們的影響非常小，要用一公里長的測量設(shè)備才能觀察到。因此物理學(xué)家們正在討論具有有序量子特性的超冷和超微玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是否也能探測到這些波。德國德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR)和德國德累斯頓大學(xué)的拉爾夫·舒茨霍爾德教授研究了這些建議的基礎(chǔ)，并在《物理評論D》期刊上寫道：這些證據(jù)遠遠超出了現(xiàn)有方法的能力。早在1916年阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)就向普魯士科學(xué)院(Prussian Academy of Sciences)提交了一篇文章。

博科園-科學(xué)科普：在這篇文章中他證明了巨大的恒星等運動的質(zhì)量在相互圍繞對方旋轉(zhuǎn)時，會在空間和時間上留下凹痕，并以光速傳播。這些凹痕被稱為引力波，應(yīng)該像無線電波、光波和其他電磁波一樣精確移動。然而，引力波的作用通常是如此微弱，以至于愛因斯坦相信引力波永遠無法測量。產(chǎn)生這種懷疑的原因是引力波很弱。例如即使地球相當大的質(zhì)量，以接近每秒30公里的速度繞太陽運行，產(chǎn)生的引力波功率也只有300瓦。這甚至還不足以為貼上“能源之星”標簽的商用吸塵器提供動力。因此這些引力波的影響是察覺不到的。

當黑洞合并時

當涉及到大得多的群眾時，情況就會改善。當兩個巨大黑洞在距離地球13億光年的地方合并時，一個黑洞的質(zhì)量約為36個太陽，另一個黑洞的質(zhì)量約為29個太陽，時空都在顫抖。在這次合并中，一個三倍于太陽的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成一個巨大的引力波，13億年后的9月14日，中歐時間上午11:51，引力波的殘余到達了地球。由于波在如此巨大的距離內(nèi)向各個方向傳播，并傳播到難以想象的大空間，它們的能量被極大地削弱。在地球上只接收到一個非常微弱的信號，這個信號是在美國用兩個4公里長的垂直真空管記錄下來的。兩個特殊的激光束在這些設(shè)備端點之間來回發(fā)射。

插圖顯示了兩個黑洞是如何合并的，這導(dǎo)致引力波產(chǎn)生。圖片：LIGO / T. Pyle

從一束光到達另一端所需的時間，研究人員可以非常精確地計算兩點之間的距離。HZDR的研究員拉爾夫·舒茨霍爾德(Ralf Schutzhold)概述了他同事們的研究結(jié)果：當引力波到達地球時，兩種測量距離中的一種在兩種設(shè)備上都縮短了一萬億分之一毫米，而另一種垂直延伸的距離也差不多。因此在2016年2月11日，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的詳細分析，研究人員報道了阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)測的引力波的首次直接探測，三位有貢獻的研究人員在2017年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

同步原子

天體物理學(xué)家現(xiàn)在可以利用這些波來觀察太空中的大質(zhì)量事件，如黑洞合并或超新星。物理學(xué)家們現(xiàn)在在問，是否有可能建造比垂直真空管4公里長更容易處理的設(shè)備。一些人建議使用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，這是一種物質(zhì)的形式，薩特延德拉納特玻色和阿爾伯特愛因斯坦早在1924年就預(yù)測到了。Schutzhold解釋：這種冷凝物可以被認為是來自單個原子的高度稀釋的蒸汽，這些原子被冷卻到極端，因此會冷凝。1995年美國的研究人員創(chuàng)造了一種玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

在極低的溫度下，僅僅略高于負273.15攝氏度的絕對零度，大多數(shù)金屬原子，如銣，以相同的量子態(tài)存在，在較高的溫度下形成混沌的大雜燴。Schutzhold說：與激光粒子類似，這些玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的原子可以說是同步運動的。然而引力波可以在同步的原子冷凝物中改變聲音粒子或聲音量子(物理學(xué)家稱之為聲子)。拉爾夫·舒茨霍爾德(Ralf Schutzhold)在描述這一過程時說：這有點像一大桶水，地震產(chǎn)生的波會改變現(xiàn)有的水波。

證據(jù)太少了

然而當HZDR理論物理系的負責(zé)人仔細研究這一現(xiàn)象的基本原理時，他確，為了探測由合并的黑洞發(fā)出的引力波，這種玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的大小必須比目前可能的大幾個數(shù)量級。今天玻色-愛因斯坦凝聚在一起，例如通過巨大的努力獲得了100萬個銣原子，但要探測引力波，需要的原子數(shù)量是這個數(shù)字的100多萬倍。然而在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)中形成了一種渦旋，在這種渦旋中引力波直接產(chǎn)生更容易觀察到的聲子。但即使有如此不均勻的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，我們?nèi)匀恍枰獢?shù)個數(shù)量級才能探測到引力波。

然而HZDR的研究人員提供了一個可能證明的線索：如果惰性氣體氦被冷卻到絕對零度以上不到2度，就會形成一種超流體液體，它不是純玻色-愛因斯坦冷凝液，但含有這種同步氦原子的不到10%。由于這種超流體氦的產(chǎn)量要大得多，因此用這種方法可以比直接生產(chǎn)多出許多數(shù)量級的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)原子。超流體氦是否真的是一種探測引力波的方法，只能通過極其復(fù)雜的計算才能證明，因此引力波的微型探測器仍在未來的某個時候存在。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：亥姆霍茲德國研究中心協(xié)會

參考期刊文獻:《物理評論D》

DOI: 10.1103/PhysRevD.98.105019

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