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標題: 世界上最大的引力波天文台將光壓縮到量子極限﹐用來探測提高精度 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2023-10-29 08:15 AM 標題: 世界上最大的引力波天文台將光壓縮到量子極限﹐用來探測提高精度

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　　引力波是什麼﹖它們是由太空中運動的質量物體產生的時空波紋﹐就像水中扔石頭一樣。引力波的概念最早是由法國物理學家昂利·龐加萊在1905年提出﹐但他沒有給出具體的數學描述。1916年愛因斯坦·阿爾伯特基於廣義相對論給出了引力波的理論預測﹐並計算出它們的性質和傳播方式。引力波具有非常重要的意義﹐因為它們可以讓我們探測到一些電磁波無法觀測到的天文現象﹐比如黑洞﹑中子星﹑超新星等。2016年2月11日人類歷史上第一次直接探測到引力波﹐其源自於兩個黑洞在合併時產生。
　　那麼﹐科學家們是怎麼探測引力波的呢﹖他們使用了一個叫做激光干涉儀重力波觀測台(LIGO)的裝置。LIGO由兩個巨大的L形探測器組成﹐每個探測器有兩條長達4公里的手臂﹐裡面有兩束相同的激光。當引力波穿過地球時﹐它們會扭曲時空導致探測器中一個手臂的激光被壓縮﹐另一個手臂的激光被拉伸。這樣就會造成兩束激光到達探測器的相對路徑長度發生微小的變化。通過測量這種變化﹐科學家們就能知道引力波的存在和特徵。
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　　不過﹐要探測到引力波並不容易。因為它們造成的時空扭曲非常微弱﹐通常只有一個原子核大小的千分之一。所以﹐LIGO必須非常敏感﹐才能區分出真正的信號和其他干擾。但是﹐這也帶來「量子噪聲」問題。量子噪聲是由亞原子粒子自發地相互作用產生的隨機現象﹐它會影響激光的性質﹐比如功率和頻率。高頻噪聲來自於不斷出現和消失的微小粒子。低頻噪聲來自於反射光粒子撞擊鏡子而產生的震動。這兩種噪聲都限制了LIGO能夠探測到的引力波的數量和類型。
　　為了解決這個問題﹐物理學家們想出了利用海德堡不確定性原理。這個原理說﹐我們不能同時準確地知道一個粒子的兩個物理性質﹐比如位置和速度。這意味著在測量激光時﹐我們必須在功率和頻率之間做出權衡。但這也意味著﹐我們可以通過犧牲一個性質來增強另一個性質。物理學家們利用一種特殊的晶體﹐把單個光子或光包分裂成兩個糾纏的光子﹐並對它們進行調節﹐使得它們背後的不確定度可以按需「壓縮」。這就是所謂的「擠壓」技術。
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　　最近﹐世界上最大的引力波天文台(LIGO和Virgo)的科學家們創造了一種新型的擠壓技術﹕頻率依賴型擠壓。這種技術可以根據不同頻率對激光進行不同程度的擠壓。在低頻下﹐擠壓功率可以減少鏡子震動的影響。在高頻下擠壓頻率可以讓信號比量子擾動更明顯。這樣﹐就可以同時降低高頻和低頻的噪聲﹐提高探測器的靈敏度。這種技術有點像捏氣球。就像在一端捏住一個氣球可以讓另一端變得更大一樣﹐我們可以用更大的確定性捏住一個光的性質﹐來把不確定性轉移到另一個性質上。
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　　「其實﹐我們做的是非常酷的量子實驗﹐但真正的目的是﹐這是提高LIGO靈敏度的最簡單的方法﹐」這項研究的合著者之一﹐麻省理工學院的研究人員說。「否則﹐我們就得加強激光器﹐但激光器也有它自己的問題﹐或者我們就得增加鏡子的尺寸﹐但那會很貴。」。
　　通過使用頻率依賴型擠壓技術﹐科學家們希望能夠探測到更多和更遠的引力波事件﹐比如中子星和黑洞的碰撞。這些事件不僅能揭示宇宙的奧秘﹐還能驗證愛因斯坦的廣義相對論。這是一項具有劃時代意義的天文學工作。

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