爱因斯坦:人类可能无法探测引力波,如今量子

发布时间:2020-08-24 编辑:西极电力网

  1915年,伟大的爱因斯坦正式发表了他的广义相对论。对于人类来说,这是物理学进入一个全新时代的大门被敞开。

  

爱因斯坦:人类可能无法探测引力波,如今量子


  根据爱因斯坦的广义相对论,科学家们发现了一个完全不一样的物理世界,并且借此预言了很多物理现象,如黑洞、虫洞等等天体,以及水星的进动现象、天体的引力透镜效应等等。在所有爱因斯坦的预言中,最神奇的大概就是引力波了。

  甚至在提出引力波的概念时,爱因斯坦本人也认为它太过于微弱,人类可能无法检测到它的存在。不过,随着人类科技的发展,我们的设备终于可以证明这个神奇的现象了。即便如此,科学家仍然需要利用几公里长的激光干涉仪阵列才能探测到它的蛛丝马迹。

  

爱因斯坦:人类可能无法探测引力波,如今量子


  (图片说明:激光干涉引力波天文台)

  2016年2月11日,科学家利用激光干涉引力波天文台(简称:LIGO)首次探测到了双黑洞合并所产生的引力波现象,在广义相对论提出的101年后再一次证明了爱因斯坦的预言。自此以后,科学家们利用世界上最先的观测设备,又捕获到了多个引力波信号。可是,引力波的探测仍然非常困难,非要有强大而又巨大的观测设备不能观测。

  最近,一支科学团队在《新物理学杂志》上发表了一篇论文,提出了一种新的引力波探测方法。令人意外的是,最新的这种探测方法并不需要那么巨大的设备,甚至在一张桌子上就能完成。因为这个方法虽然探测的是相对论的现象,但利用的原理却属于量子力学领域。

  

爱因斯坦:人类可能无法探测引力波,如今量子


  他们设计的“探测器”,其实是一块钻石。和普通钻石不同的是,他们会利用一个氮原子来替代其中的一个碳原子。这样一来,这块钻石就比原先的状态要多包含一个电子。而这个电子,就是探测引力波的关键。

  我们知道,电子属于费米子,拥有着半整数的自旋。这意味着,它的自旋可以处于叠加态。如果通过激光照射这块钻石,那么这个多余的电子就可以处于可能向上也可能向下的叠加态。也就是说,只有对它进行测量的时候才知道它到底向上还是向下。

  叠加态最好的例子就是薛定谔的猫,但是很多人自以为懂得叠加态,实则对它有着巨大的误解。薛定谔的猫在提出时原本是为了反驳叠加态的,而且所谓叠加态的猫并非既死又活,而是处于另一个状态。科学家比喻说,叠加态就像是一枚不断旋转的硬币,只有你把它按住,才知道它是正面朝上还是背面朝上。但是,在按住它之前,正面和背面都不是朝上的。

  

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  (图片说明:引力波可以改变量子领域的叠加态)

  对于电子的自旋来说,也是一样的。当它处于叠加态时,它并非既向上又向下,而是要测量才能知道。

  该团队指出:我们可以将这块钻石放置于磁场中,利用磁场改变其叠加态,使得两个不同的自旋状态发生偏移,其中一种偏向北极,另外一种偏向南极。在这种情况下,,当引力波穿过这块钻石的时候,不同的自旋状态会受到不同的影响。通过检测其中的差异,就可以检测到引力波。

  还是用那个硬币的比喻,如果我们正常来旋转硬币的话,如果测量次数足够多,就会发现正面和背面朝上的次数基本上是各占一半。但是,如果有引力波的加入,就好像硬币变成了一侧重一侧轻的情况,自然是轻的那侧朝上概率更高。

  

爱因斯坦:人类可能无法探测引力波,如今量子


  更重要的是,这个“仪器”真的非常小,它只需要重量为10^-17 kg的纳米级金刚石晶体即可。不过,这绝不意味着它的复杂程度低。实际上,即使是利用这个方法,引力波的探测难度依然非常高。

  据介绍,这个探测方法对实验室的要求非常高。首先,我们需要屏蔽外界的电磁干扰,否则就得不到想要的结果。另外,这也要求这块实验需要在自由落体的状态下进行,所以要么给它安排一个特定的轨道,要么就设置一个比较长的动力轴。

  尽管他们已经从理论上证明了这个方法的可行性,但是目前它有待于实践的证明。该团队的研究人员、论文通讯作者Ryan J Marshman表示,他们接下来就准备联系实验人员。鉴于实验的难度,他们预计这个大胆的想法可能需要几十年才能实现。

  

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