德国科学家用玻色-爱因斯坦凝聚探测引力波

1995年德国的一项研究把科学家们从传统的大型设备中解放了出来。1995年德国科学家成功在极低温度下,实现了气态铷原子的玻爱凝聚,就是用爱因斯坦提出的玻色-爱因斯坦凝聚技术来帮助探测引力波。传统的探测引力波要靠非常庞大、精密的设备。典型的装置是引力波激光干涉仪,利用激光反射多次后汇聚产生干涉的原理来测量微小变化。爱因斯坦半个多世纪前提出的玻色-爱因斯坦凝聚现象为探测引力波提供了新的方法。微观粒子的自旋特性决定了玻色子和费米子在集体行为上表现迥异,玻色子喜欢聚集在一起行动,这就是所谓的玻爱凝聚。1995年科学家在极低温度下实现了气态铷原子的玻爱凝聚,让一大群铷原子聚在一起表现得像一个量子物体。这种原子团被困在一个由周围多束激光形成的“陷阱”中,改变陷阱的尺寸或形状就能对原子团产生干扰形成振动。如果引力波传过来,会对“陷阱”的尺寸或形状产生影响,我们就能在原子团中探测到振动,从而证实引力波的存在。这些原子被周围许多束激光困在“陷阱”里实现了玻爱凝聚,先前的实验证明改变“陷阱”的尺寸或形状就能干扰里面处于凝聚态的原子团产生振动。当然这种装置太敏感了,实验时要排除外界的一切干扰。当宇宙中两个致密的天体发生碰撞或合并时,它们发射强烈的引力波引起周围时空剧烈波动。引力波遇到物体时会使物体发生变形比如正方体在某个方向上的尺寸发生变化不再是严格正方体。当观测到这种变形就说明探测到了引力波但能产生引力波的天体离我们太遥远等信号传到地球时已经非常微弱所以不容易探测到引力波。根据爱因斯坦广义相对论引力是时空本身弯曲所以引力波就是时空受引力影响变化时产生的波动当两个致密天体碰撞或合并时会发射强烈引力波引起周围时空剧烈波动所以当我们看到这种变形时就能说明探测到了引力波但要直接在地球上探测到它需要庞大精密设备比如引力波激光干涉仪典型原理就是把激光分成两束分别沿着不同路径传播然后汇聚发生干涉图案取决于两束光走过距离差如果引力波传来引起空间伸缩两束光走过距离差改变干涉图案也会变化引力波激光干涉仪非常敏感比如地球到太阳这么远距离内哪怕有一个原子尺寸变化也能探测到但这种设备非常庞大比如德国有个引力波激光干涉仪坐落在两条相互垂直隧道中各长4千米而爱因斯坦自己提出的另一个现象玻色-爱因斯坦凝聚原理也能达到同样精度所用设备不比一张普通桌子大微观粒子都有自旋特征普朗克常数整数倍或半整数倍不同取值决定了玻色子和费米子集体行为迥异玻色子喜欢扎堆费米子喜欢独处当许多玻色子步调一致行动时就是玻爱凝聚通常温度下受热运动干扰不容易发生玻爱凝聚但在极低温度下就能实现1995年德国科学家首次实现了气态铷原子玻爱凝聚温度降到10-7K时一大群铷原子聚在一起表现得像一个量子物体这种情况下稍有扰动原子团中就会产生可观察振动科学家最近证明处于玻爱凝聚态原子团可以用来探测引力波这些原子被困在由周围多束激光形成的“陷阱”中实现了玻爱凝聚先前实验已证明改变“陷阱”尺寸或形状可对里面凝聚态原子团产生干扰形成振动如果有引力波传过来它会对“陷阱”尺寸或形状产生影响我们就能在原子团中探测到振动从而证实引力波的存在当然这种装置太敏感了实验时我们要排除外界一切干扰才不会影响结果。