激光干涉儀引力波觀測臺（LIGO）宣布第三次探測到引力波不過一月有余，近日美國《連線》雜志報道稱，幾位獨立物理學(xué)家對2016年2月LIGO第一次探測到的引力波相關(guān)數(shù)據(jù)提出了質(zhì)疑。丹麥物理學(xué)家安德魯·杰克遜和其他4人聯(lián)名給《量子雜志》寫信表示，他們對當(dāng)時的引力波觀測數(shù)據(jù)進行詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)了無法解釋的關(guān)聯(lián)噪音，這意味著，當(dāng)時探測到的可能根本不是真正的引力波信號，而是聲音大一點的噪音。

雖然有LIGO科學(xué)合作會成員公開駁斥了質(zhì)疑，認(rèn)為噪音結(jié)論可能是代碼錯誤所致，但因激光干涉儀激光會產(chǎn)生量子效應(yīng)，量子噪音會對引力波探測靈敏度造成嚴(yán)重干擾。因此，只有不斷提高靈敏度，這些質(zhì)疑才會銷聲匿跡。

分別位于美國南海岸利文斯頓（左）和西北海岸漢福德（右）的LIGO干涉儀。

為了降低量子噪音，LIGO項目組在德國GEO600探測儀不斷測試其新技術(shù)，利用光電子學(xué)領(lǐng)域的進展對激光進行壓縮，將LIGO探測器的靈敏度提高了50%。而一些量子物理學(xué)家們雖然沒有參與引力波探測，但為提高引力波探測的靈敏度不斷提出創(chuàng)新性理念，就在本周，《自然》雜志刊登了丹麥科學(xué)家們提出的一種全新技術(shù)，理論上能將引力波探測器的靈敏度提高一倍。

量子噪音帶來的“煩惱”

LIGO的兩個干涉儀分別位于美國南海岸利文斯頓和西北海岸的漢福德，每個干涉儀都由相互垂直成L形的兩個4千米長真空鋼管臂組成，每個管臂兩端都安裝很多加工精細(xì)的鏡子。當(dāng)一束激光經(jīng)過干涉儀時，激光束會分成兩束分別沿著兩個管臂行進。

當(dāng)有引力波出現(xiàn)時，其中一個管臂會伸長，而另一個管臂會被壓縮，使得兩束激光沿著兩個管臂行進的距離不同，當(dāng)再次相遇時就會變得不同步。利用這個原理，LIGO的靈敏度足以探測到只有質(zhì)子直徑萬分之一（即10-19米）的目標(biāo)移動距離。因此，即使引力波信號極其微弱，LIGO干涉儀也能將其捕捉。

因靈敏度極高，LIGO干涉儀很容易受到來自背景噪音的干擾。對于遠(yuǎn)處卡車隆隆聲以及溫差波動等的干擾，科學(xué)家們已經(jīng)有了應(yīng)對之策，但激光器所產(chǎn)生的激光光束的量子力學(xué)波動噪音，往往會將微弱的引力波信號淹沒。到達LIGO探測器的激光束內(nèi)的光子數(shù)量不確定性，給移動距離的測量也帶來不確定性；不知道具體數(shù)量的光子，通過撞擊LIGO鏡面時施加的動量沖力，也造成了鏡面移動，進一步增加了測量結(jié)果的不確定性。

壓縮激光“抑制”干擾

為解決激光量子噪音干擾，LIGO實驗組與德國GEO600引力波探測儀項目組合作，采用壓縮光技術(shù)來弱化量子噪音?，F(xiàn)在這些壓縮光技術(shù)已經(jīng)在GEO600干涉儀中正式使用，并在LIGO干涉儀進行了初步試用。其原理就是利用量子力學(xué)定律中的漏洞，通過增加光的一種特征波動來減少光的另一種特征波動。

GEO600靈敏度雖然不及LIGO，但LIGO所用的多項核心技術(shù)都是GEO600團隊的科學(xué)家提出設(shè)想并在GEO600完成測試的。GEO600項目科學(xué)家提出，通過壓縮光技術(shù)減少激光位移的不確定性，可提高高頻率波段的引力波探測的精度，而通過壓縮光技術(shù)減少激光動量的波動，可提高探測低頻波段引力波的靈敏度。

但目前的壓縮光技術(shù)，要么只能減少激光位移波動，要么只能減少激光動量波動，不能同時降低兩種量子噪音效應(yīng)。LIGO希望在5年內(nèi)，使用一種名叫“過濾空腔”的技術(shù)，實現(xiàn)對兩種激光量子噪音的同步壓縮，以改進LIGO對引力波全波段探測的靈敏度。

新技術(shù)是個“潛力股”

《自然》雜志刊登的最新成果是由丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所物理學(xué)家尤金·波茲克帶領(lǐng)其團隊完成。他們讓激光在撞擊目標(biāo)之前，先通過氣態(tài)金屬銫原子云，向激光施加一個反方向的動力，將激光的動量波動完全“抵消”，從而將量子效應(yīng)帶來的不確定性降低了34%。

波茲克團隊已經(jīng)開始與莫斯科大學(xué)和俄羅斯量子中心開展合作，進一步對這一技術(shù)進行改進。馬克斯·普朗克引力波物理學(xué)研究所和LIGO等機構(gòu)的研究人員也在與波茲克團隊商討合作事宜。

雖然這一新技術(shù)還沒在引力波探測中進行驗證，但LIGO項目組成員、美國麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)家納吉斯·馬瓦瓦那認(rèn)為，初步統(tǒng)計結(jié)果顯示，該技術(shù)非常具有潛力。波茲克表示，再經(jīng)過5到10年的發(fā)展，該技術(shù)或能將引力波探測儀的靈敏度提高一倍。

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