斯坦福大學(xué)地下室深處藏著一根10米高的管子，它被包裹在一個金屬籠子里，并用電線覆蓋著。一道屏障將它與主房間隔開，在主房間之外，圓柱體跨越三層樓高，成為一個容納超冷原子的裝置，準(zhǔn)備向上發(fā)射。堆滿激光向原子發(fā)射的桌子（并分析它們對引力等力的反應(yīng)）填滿了實驗室的其余部分。

該管是一個原子干涉儀，一種定制的裝置，設(shè)計用于研究原子的波性質(zhì)，根據(jù)量子力學(xué)，原子以粒子和波的形式同時存在。這個儀器可以用來探測引力波，引力波是天文物體產(chǎn)生時空擾動的微小漣漪（如中子星碰撞合并等）。

該儀器還可以揭示宇宙的另一個奧秘：暗物質(zhì)。起初斯坦福大學(xué)實驗物理學(xué)家Jason Hogan和Mark Kasevich從未打算讓他們的設(shè)備以這種方式實現(xiàn)。當(dāng)Hogan開始他在Kasevich實驗室的研究生學(xué)習(xí)時，他轉(zhuǎn)而專注于測試引力對原子的影響。但與理論物理學(xué)家、物理學(xué)教授Savas Dimopoulos和研究生們的談話（經(jīng)常被卡塞維奇辦公室對面大廳里的一臺濃縮咖啡機引誘下樓）讓他們開始考慮它作為高靈敏度探測器的用途。斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授Kasevich說：我們只是在談?wù)撐锢韺W(xué)，就像物理學(xué)家經(jīng)常做的那樣。

一件事導(dǎo)致了另一件事，這個小組達(dá)成了一個大膽的計劃：創(chuàng)造一個原子干涉儀，能夠探測到以前沒有人見過的引力波。其想法與另一股席卷物理學(xué)的浪潮相契合，這股浪潮包含了為其他目的而開發(fā)的精致靈敏的儀器，以回答關(guān)于自然的基本問題。早在2015年，激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到了兩個超大質(zhì)量黑洞之間13億年碰撞的簡短信號。從那時起，LIGO已經(jīng)編目了更多穿過地球的引力波，為天文學(xué)家提供了一個研究宇宙的強大新鏡頭。引力波是時空中的漣漪，很像海浪，只不過它們扭曲了空間，而不是水。

理論上，任何加速的質(zhì)量，無論是揮動的手還是軌道上的行星，都會產(chǎn)生引力波。然而，這些運動發(fā)生在遠(yuǎn)低于我們探測它們能力的水平上。只有來自巨大天文現(xiàn)象的引力波才會引起足夠大的時空變化，以至于地球上的傳感器都可以識別它們。正如不同的頻率構(gòu)成電磁頻譜一樣，引力波也是不同的。LIGO和其他電流引力波探測器探測到一個非常窄的范圍（高頻波，比如兩個黑洞碰撞時的高頻波）但引力波譜的其他部分仍未被探索。就像天文學(xué)家可以通過研究恒星的紫外光和可見光來了解新情況一樣。

分析其他引力波頻率數(shù)據(jù)可能有助于解決目前無法觸及的太空之謎，包括關(guān)于早期宇宙的奧秘。人文與科學(xué)學(xué)院(School Of Humanities And Sciences)的物理學(xué)助理教授霍根(Hogan)說：發(fā)現(xiàn)了一個光譜區(qū)域，其他任何探測器都沒有很好地覆蓋，它恰好與我們已經(jīng)在開發(fā)的方法相匹配。建造了10米高的原子干涉儀來測試這些想法。然而，為了提高設(shè)備的靈敏度（探測小于質(zhì)子寬度的時空擺動所必需）需要一個更大的探測器。因此，100米的物質(zhì)波原子梯度計干涉?zhèn)鞲衅?，或稱MAGIS-100，實驗誕生了。

在戈登和貝蒂·摩爾基金會(Gordon And Betty Moore Foundation)980萬美元贈款的幫助下，科學(xué)家們計劃在位于伊利諾伊州的能源部國家實驗室Fermilab建造一個現(xiàn)有地下豎井，Magis-100的新家。費米實驗室參與該項目的高級科學(xué)家羅布·普朗克特(Rob Plunkett)說：可以在地面上找到洞，但要在地面上找到一個連接實驗室的洞有點困難。從概念上講，Magis-100的工作方式與LIGO類似，這兩個實驗都利用光來測量兩個測試質(zhì)量之間的距離，就像雷達(dá)測距一樣。但是，雖然LIGO有鏡子，但Magis-100更傾向于原子。

事實證明，原子對于這些目的來說，是一個令人驚異的測試質(zhì)量?？茖W(xué)家們有非常強大的技術(shù)來操縱它，讓它對所有背景噪聲源都不敏感。LIGO的鏡子掛在玻璃線上，這意味著地震可能會觸發(fā)它的傳感器。另一方面，MAGIS-100在某些地方有措施防止這些外來噪聲源影響其數(shù)據(jù)。在被冷卻到絕對零度以上的程度后，原子就像從水龍頭滴落的水滴一樣垂直下降到軸中。寒冷的溫度使原子處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此它們在下降時保持不動，因為軸是真空的，原子直線下降，沒有偏離軌道的風(fēng)險。

豎井的垂直方向也確保了震動的地球不會影響測量。然后，激光操縱下降的原子，研究小組可以測量它們處于激發(fā)狀態(tài)的時間。Hogan和Kasevich希望使用鍶作為測試質(zhì)量（與原子鐘中使用的元素相同）以確定當(dāng)光激發(fā)原子時是否存在任何時間延遲，延遲將表明引力波通過。此外，Magis-100科學(xué)家可以使用原子數(shù)據(jù)來測試暗物質(zhì)模型做出的預(yù)測。根據(jù)一些模型，暗物質(zhì)的存在可能導(dǎo)致原子能級變化，超靈敏的激光技術(shù)允許Plunkett和合作者尋找這些變化。

朝向太空

Magis-100是一個原型，朝著建造一個更大的設(shè)備邁出了又一步，它的靈敏度要高出許多倍。Hogan和Kasevich表示，設(shè)想有一天能在LIGO的規(guī)模上建造一些東西，LIGO長4公里。因為未來的全尺寸Magis-100應(yīng)該能探測到1赫茲左右的低頻引力波，比如從兩個圍繞彼此旋轉(zhuǎn)黑洞發(fā)射的引力波，所以它可以識別出LIGO已經(jīng)看到的相同事件，但在質(zhì)量真正碰撞之前。因此，這兩個實驗可以相輔相成?？梢灾圃煲粋€探測器，可以看到同樣的系統(tǒng)，但要年輕得多。

先進的Magis式探測器也可能發(fā)現(xiàn)LIGO雷達(dá)下飛行的引力波來源。例如，原始引力波在大爆炸之后產(chǎn)生。探測起源于早期宇宙的引力波可以揭示實際發(fā)生的事情。沒有人知道這些原始引力波的頻率，也沒有人知道未來的大規(guī)模探測器能否探測到它們?？茖W(xué)家認(rèn)為應(yīng)該建立盡可能多的探測器，以便覆蓋廣泛的頻率范圍，并簡單地看到外面有什么。令人興奮的已知來源是這些類似LIGO的來源，然后是未知的，我們也應(yīng)該對此持開放態(tài)度。

博科園｜研究/來自：斯坦福大學(xué)

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