時空引力波或傳遞物質(zhì)引力的波動是宇宙中最為神秘的一種現(xiàn)象，物理學(xué)家很早就預(yù)言了引力波的存在，幾十年來卻從未尋到它們的蛛絲馬跡，揭示時空引力場的隱形世界是科學(xué)家孜孜以求的目標，他們設(shè)想了用于探測的儀器，其中包括利用原子的量子屬性對宇宙中普遍存在的引力波紋或引力褶皺進行探測。愛因斯坦的廣義相對論是推測引力波存在的理論基礎(chǔ)，大質(zhì)量天體在加速運動中產(chǎn)生了引力現(xiàn)象，引力的本質(zhì)卻是物體的質(zhì)量彎曲了周圍的時空。在彎曲時空穿行的光線受到了附近大質(zhì)量物體的引力作用，光線實際上將呈現(xiàn)一條彎曲的運動路徑。

中子星和黑洞等高致密性天體擁有超強的引力場，以雙星系的形式相互繞轉(zhuǎn)的高致密性天體產(chǎn)生了超高輻射能的引力波，地面實驗室的科研人員可能探測到經(jīng)過的引力波。曾經(jīng)沒有任何一項實驗證實了理論預(yù)言的引力波，所有艱難的探測活動都遇到了前功盡棄的結(jié)局。斯坦福大學(xué)的皮特·格雷厄姆帶領(lǐng)了一個物理學(xué)研究小組，應(yīng)用了新開發(fā)的“原子干涉法”，隱藏在宇宙時空背景的引力場得以“重見光明”。

格雷厄姆解釋說，迄今為止，沒有一位科學(xué)家看到了引力波，引力的波動現(xiàn)象只是理論的假設(shè)，它們的存在有待嚴格的證明。研究小組設(shè)想了“引力波望遠鏡”的建造計劃，他們對此感到興奮無比，信心十足，相信可以從引力波的視角審視宏偉的宇宙。通過對鑲嵌在時空的引力波紋或引力漣漪的觀測和分析，科學(xué)家可以獲得多個隱藏的信息，諸如：宇宙天體的產(chǎn)生，中子星和黑洞等高致密性天體的獨特性質(zhì)，目前難以解釋的引力神秘性等，致密天體的超強引力場遠遠大于研究人員在實驗室創(chuàng)造的引力環(huán)境。

引力波探測器的研制有一個漫長的過程，激光干涉儀是目前搜索引力波的主要實驗儀器，在路易斯安那州和華盛頓州建成了兩個極為敏感的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO），引力波探測器由兩個“激光手臂”組成，手臂的長度為1.2英里或2公里到2.5英里或4公里，處于三角頂點位置的探測器發(fā)出了兩道激光，激光手臂呈相互垂直的狀態(tài)。一旦有時空中的引力波漣漪穿過激光手臂或“激光長墻”時，引力波會引起激光手臂微小的擾動和扭曲，計算機會及時記錄激光臂長變化的數(shù)據(jù)。

激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）可以探測到“激光長墻”微小的尺寸變化，依據(jù)引力波的方向伸展了一個“激光手臂”的長度，相應(yīng)地收縮另一個“激光手臂”的長度。然而，高靈敏度的探測器有一個明顯的缺陷，容易受到激光噪音的干擾，隨機波動的激光噪音會掩蓋引力波的信號，對真正引力波的探測產(chǎn)生了干擾，避免激光噪音的影響成了一個主要的技術(shù)問題，格雷厄姆和同事另辟蹊徑，他們設(shè)想了用原子發(fā)生器代替激光器的方法，計劃使用原子束，而不是使用激光束，最大程度地減少對引力波測量時出現(xiàn)的擾動。

原子干涉儀應(yīng)用了量子物理學(xué)的原理，微觀粒子有粒子性和波動性的雙重特征，粒子性使得一個原子看起來好像一個微小的彈子球，波動性使得一個原子看起來好像一團微小的云霧，量子力學(xué)的波動方程式描述了粒子運動的軌跡，粒子在某一個特定的時間點可能既在這里，又在那里，粒子在某一個特定的地點可能既在這時，又在那時，直接觀測的活動會影響到粒子的行為。研制原子干涉儀時應(yīng)用了原子運動軌跡的波動函數(shù)方程，既在這里、又在那里的原理奇異性被用于對引力波變化的測量，一旦引力波穿過了原子干涉儀，同時處在兩種狀態(tài)的原子會出現(xiàn)加速運動的現(xiàn)象。

研究人員在測量原子的加速現(xiàn)象時設(shè)想了兩臺原子干涉儀的情形，可以將兩顆搭載了原子干涉儀的衛(wèi)星發(fā)送到太空軌道，兩顆衛(wèi)星分開一定的距離，引力波信號在兩個地點的呈現(xiàn)有所不同，通過對比分析將信號的激光噪音清除掉，從而獲得原子加速運動的正確數(shù)據(jù)。太空實驗使用了激光束，分別照射兩臺原子干涉儀，太空實驗可以避免地面的震動和搖晃，克服了地面震動帶來的檢測偏差。

斯坦福大學(xué)的格雷厄姆研究小組預(yù)計，原子干涉儀項目的花費為1億到10億美元，比激光干涉儀項目的費用有了大幅下降，其中的一個原因是太空激光干涉儀的實驗方案預(yù)計發(fā)射三顆衛(wèi)星，而太空原子干涉儀的實驗方案預(yù)計發(fā)射兩顆衛(wèi)星。2011年，由美國和歐洲的科學(xué)家聯(lián)合發(fā)起的引力波搜索激光干涉儀空間天線使命（LISA）項目由于缺乏資金而被迫取消。

（編譯：2021-5-6）

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