自2015年兩個黑洞在10億光年外碰撞產(chǎn)生引力波的歷史性發(fā)現(xiàn)以來，物理學家們一直在推進有關(guān)測量精度極限的知識，這將有助于改進引力波科學家使用的下一代工具和技術(shù)。

路易斯安那州立大學物理與天文學系副教授Thomas Corbitt和研究團隊現(xiàn)在提出了第一個寬帶非共振測量音頻波段的量子輻射壓力噪聲，頻率與引力波探測器有關(guān)，并于2019年3月25日發(fā)表在《自然》期刊上。這項研究得到了美國國家科學基金會(National Science Foundation，簡稱NSF)的支持。

博科園-科學科普：研究結(jié)果為提高引力波探測器的靈敏度提供了線索，方法是開發(fā)技術(shù)，減輕測量中所謂的“反作用力”不精確性，從而增加探測引力波的機會。Corbitt和研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種物理設備，可以在室溫下觀察和聆聽量子效應。在非常低的溫度下測量量子效應往往更容易，而這種方法使它們更接近人類的經(jīng)驗。位于路易斯安那州利文斯頓的LIGO或激光干涉儀引力波天文臺(Laser Interferometer gravity - wave Observatory)等探測器的微型模型中。

這些設備由低損耗的單晶微諧振器組成，每個諧振器都有一個針尖大小的鏡墊，懸掛在懸臂上。激光束對準其中一個反射鏡，當光束被反射時，波動的輻射壓力足以彎曲懸臂結(jié)構(gòu)，導致反射鏡墊振動，產(chǎn)生噪音。引力波干涉儀使用盡可能多的激光功率，以最小化測量離散光子所帶來的不確定性，并最大限度地提高信噪比。這些更高功率的光束增加了位置精度，但也增加了反作用力，這是反射鏡中光子數(shù)量的不確定性，而反射鏡中光子數(shù)量對應于由于輻射壓力對鏡子產(chǎn)生的波動力，從而導致機械運動。

其他類型的噪聲，如熱噪聲，通?？刂浦孔虞椛鋲毫υ肼?，但是Corbitt的團隊，包括麻省理工學院的合作者，已經(jīng)對它們進行了分類。先進的LIGO和其他第二代、第三代干涉儀在全激光功率下運行時，將受到低頻量子輻射壓力噪聲的限制。Corbitt在《自然》上發(fā)表的論文為研究人員在測量引力波時如何解決這個問題提供了線索。Corbitt說：由于迫切需要更靈敏的引力波探測器，重要的是研究量子輻射壓力噪聲對類似于高級LIGO的系統(tǒng)影響，這將受到量子輻射壓力噪聲在遠離測試質(zhì)量懸架機械共振頻率大范圍頻率上的限制。

Corbitt的前學術(shù)顧問、《自然》期刊論文的主要作者Jonathan Cripe去年從LSU畢業(yè)，獲得物理學博士學位，現(xiàn)在是國家標準與技術(shù)研究所的博士后研究員說：在LSU的每一天，我都在做設計這個實驗的背景工作和微型反射鏡，并把所有光學元件放在桌面上，我并沒有真正考慮未來結(jié)果的影響。我只是專注于每一個單獨的步驟，一天做一天的事情。[但是]現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了實驗，回過頭來想想量子力學（一種似乎超凡脫俗、脫離人類日常經(jīng)驗的東西）是人類肉眼可見鏡子運動的主要驅(qū)動因素，這真是令人驚訝。

量子真空，或者說‘虛無’，可以對你能看到的東西產(chǎn)生影響。物理學家兼國家科學基金會項目主任佩德羅·馬羅內(nèi)蒂(Pedro Marronetti)指出，測試改進引力波探測器的新想法可能很棘手，尤其是在降低只能用全尺寸干涉儀測量的噪聲時：這項突破為測試降噪提供了新機會，這種方法的相對簡單性使得它可以被廣泛的研究小組使用，這可能會增加引力波天體物理學中更廣泛的科學界參與。

博科園-科學科普｜研究/來自:?路易斯安那州立大學

參考期刊文獻:《Nature》

DOI: 10.1038/s41586-019-1051-4

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