利用原子光探測引力波的新方法

引力波會(huì)根據(jù)光的發(fā)射方向改變原子所發(fā)光的頻率（顏色）。對這些頻率變化的精確測量，可為探測引力波提供一種新方法。

一項(xiàng)新的理論研究指出，引力波可能在巨大的探測器中留下細(xì)微的痕跡，而是在原子發(fā)出的光中留下微妙的跡象。

引力波是宇宙中一些最極端事件引發(fā)的時(shí)空微弱波動(dòng)，包括碰撞的黑洞。

迄今為止，科學(xué)家主要通過監(jiān)測千米尺度儀器（約0。6英里）上極其微小的距離變化來探測它們。諸如LIGO之類的設(shè)施已證實(shí)該方法可行，但該技術(shù)依賴于建造大型探測器以感知極其細(xì)微的時(shí)空畸變。

一項(xiàng)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的新理論研究提出了一種不同的思路。來自斯德哥爾摩大學(xué)、北歐理論物理研究所（Nordita）和圖賓根大學(xué)的研究人員建議，通過觀測引力波對原子所發(fā)光的影響來實(shí)現(xiàn)引力波的探測。盡管該構(gòu)想勾勒出一種潛在的探測方法，但目前尚未開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

原子如何揭示引力波

受激原子會(huì)通過發(fā)射特定頻率的光而自然地躍遷至較低能級(jí)，這一量子過程稱為自發(fā)輻射。該過程源于原子與量子化電磁場之間的相互作用。

引力波會(huì)調(diào)制量子場，進(jìn)而影響自發(fā)輻射過程，斯德哥爾摩大學(xué)博士研究生耶日帕喬斯表示，這種調(diào)制可使所發(fā)射光子的頻率相對于無引力波情形發(fā)生偏移。

研究人員預(yù)測，這種輻射具有方向依賴性。原子仍會(huì)以相同的總體速率發(fā)射光子，這有助于解釋為何該效應(yīng)此前一直未被察覺；但所發(fā)射光子的頻率會(huì)因發(fā)射方向不同而有所變化。這種方向性模式可能攜帶著引力波傳播方向和偏振狀態(tài)的信息，從而更易于將真實(shí)信號(hào)與背景噪聲區(qū)分開來。

為什么這個(gè)想法很重要

低頻引力波是未來空間引力波觀測臺(tái)的重點(diǎn)探測目標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)指出，原子鐘系統(tǒng)中采用的窄線寬光學(xué)躍遷可實(shí)現(xiàn)較長的相互作用時(shí)間，因此冷原子系統(tǒng)有望成為驗(yàn)證這一概念的有效平臺(tái)。

原子發(fā)出的光就像一個(gè)穩(wěn)定的音調(diào)，但經(jīng)過的引力波會(huì)微妙地改變在不同方向上聽到這個(gè)音調(diào)的方式。我們的研究結(jié)果可能為緊湊型引力波探測開辟一條新路徑，其中所涉及的原子系綜尺度僅為毫米級(jí)，斯德哥爾摩大學(xué)博士后研究員納文德阿亞表示，要評(píng)估其實(shí)際可行性，還需進(jìn)行詳盡的噪聲分析，但我們的初步估算結(jié)果令人鼓舞。

引力波對自發(fā)輻射的影響印記 作者：耶日帕喬斯、納文迪普阿亞、索菲亞克瓦福特、丹尼爾布勞恩、瑪格達(dá)萊娜齊赫 發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》

資助方：克努特與愛麗絲瓦倫堡基金會(huì)、瓦倫堡網(wǎng)絡(luò)與量子信息倡議計(jì)劃、瑪麗斯克沃多夫斯卡居里行動(dòng)計(jì)劃、歐盟歐洲創(chuàng)新理事會(huì)路徑探索項(xiàng)目量子通信與測量

引力波的首次直接探測發(fā)生在2015年，由激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）完成，這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了百年前的理論預(yù)測，并開啟了引力波天文學(xué)的新紀(jì)元。不同于電磁波，引力波幾乎不受物質(zhì)阻擋，能夠攜帶關(guān)于宇宙極端環(huán)境的原始信息，為人類探索黑洞、中子星等致密天體提供了全新手段。

探測引力波依賴于極其精密的儀器，例如LIGO和歐洲的Virgo探測器，它們通過測量激光在數(shù)公里長臂中的微小長度變化來感知時(shí)空的扭曲。這種變化通常小于一個(gè)質(zhì)子直徑的千分之一，因此需要排除地震、熱噪聲乃至量子漲落等多種干擾因素，技術(shù)挑戰(zhàn)極高。

引力波研究不僅深化了我們對引力本質(zhì)的理解，還為檢驗(yàn)廣義相對論在強(qiáng)場條件下的有效性提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。隨著更多探測器的加入和靈敏度的提升，未來科學(xué)家有望利用引力波繪制宇宙演化圖景，甚至探索宇宙誕生初期的奧秘。

BY: Stockholm University

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來自： https://scitechdaily.com/scientists-propose-a-radical-new-way-to-detect-gravitational-waves-using-atomic-light/

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