科學家計劃制造引力波,現在下載,新用戶還送新人禮包,

研究人員正在著手探索極微觀世界的科學特性，他們想把處于超低溫狀態的家計原子擲入100米長的真空管中，通過特殊的劃制方法將小小的原子“拉伸”出一陣相當于常規房間大小（米級）的波。

圖中顯示的造引設備能夠輔助MAGIS-100運行，使鍶原子被冷卻和被精準地捕捉。力波

撰文?| 查利·伍德（Charlie Wood）

翻譯?| 祝錦杰

研究人員正在著手探索極微觀世界的科學特性，他們想把處于超低溫狀態的家計原子擲入100米長的真空管中，通過特殊的劃制方法將小小的原子“拉伸”出一陣相當于常規房間大小（米級）的波。通過研究原子的造引類波特性，實驗可以深入量子領域，力波觀察出其中異于常理的科學地方：包括與暗物質（到目前為止都未曾現身）相關的蛛絲馬跡，以及對于未來的家計研究至關重要的引力波特性。

來自8家機構的劃制研究人員齊心協力，將美國伊利諾伊州的造引一處礦井改造成了目前世界上最大的原子干涉儀：物質波原子梯度計干涉傳感器（Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor）。這套設備歸美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）管理，力波設計終稿已經敲定，計劃于2021年開始正式安裝，版本代號為MAGIS-100。屆時，研究人員將利用激光控制亞顯微級別的鍶原子，將其“拉伸”成宏觀級別的“原子波”。羅伯·普倫吉特（Rob Plunkett）是費米國家加速器實驗室的項目負責人，他說：“到2021年的夏天，一切將超乎人們的想象！”

MAGIS-100項目的經費需求達1230萬美元，主要源于公眾和私人捐款。這種公私合資的形式是近年來的趨勢，能在僅靠單個研究機構開展的科學研究和需要消耗數十億美元數十年時間的大型研究之間架起一座橋梁。比如，大型強子對撞機項目（LHC）、激光干涉引力波天文臺項目（LIGO），這些都是基于合資形式運作的。阿西米納·阿瓦尼塔基（Asimina Arvanitaki，并未參與這項研究）是加拿大圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的研究員。她表示，為了研究暗物質的質量和性質，“你需要關注微觀世界，而且還不能把寶押在同一個地方”。

MAGIS-100將測量原子自由落體時的性質。當激光束激發單個原子時，原子會處于既吸收又沒有吸收激光能量的雙重狀態——就像薛定諤假設的那只貓一樣，同時處于死亡和活著的疊加態。量子物理中的所有物體（小到一個光子，大如一個棒球）都具有波動性，只不過越宏觀的物體，這種波動性就越難被覺察。當一個原子在MAGIS中以特定的方式受到激光的激發后，原子的波動性會使自身以原子波的形式延伸到整個房間，而與未被激光激發的部分相比，受到激光激發的“部分”運動得更快。

斯坦福大學有一座 MAGIS的原型，高達10米，是目前世界上最大的同類型裝置，已經創紀錄地制造出了長達半米的原子波。對于費米實驗室的裝置而言，會把這個記錄提高到幾米甚至十幾米的級別。當原子波在豎井中向下運動時，設備內的第二道激光會使原子的激發態和未激發態重新相遇。通過測量兩種原子波的干涉，研究人員可以精確地計算原子自由落體的加速度。由于實驗中采用了自由落體的方式，即便存在地震或車輛引起的震動，也不會對測量產生影響。

在MAGIS-100運行時，會同時把100萬個原子從豎井的上方擲入底部。通過分析數量驚人的干涉圖像（包括豎井上層和下層的原子云之間的干涉），這臺幾乎占據了整個足球場的設備有能力探測與已知物理法則不同的細微差異。如果出現任何與理論不符的現象，可能就暗示了其他物質或能量的存在，比如在豎井通道中存在某種迄今未被確認的粒子。賈森·霍根（Jason Hogan）是斯坦福大學的物理學家，也斯坦福大學原型機的建造者之一。他說：“原子自由落體的路徑越長，對加速度的測量就越有說服力。”

科學家一直懷疑暗物質構成了全宇宙大約80%的質量，它們至今無法被任何傳統手段探測到，但卻可以在上述實驗中表現出明顯的作用。在過去，絕大多實驗都把關注點放在了一種科學家稱之為“大質量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles, WIMP）”的對象上。這種粒子是由理論推測出來的，質量相對較大。但是這種“巨型粒子”一直沒有出現，所以科學家也在不斷開展新的搜尋實驗。

在眾多暗物質的候選名單中，一種理論上存在的超輕粒子（ultralight particles）——普倫吉特稱之為“一塊從未被人探索過的新大陸”——正在吸引越來越多科學家的注意力。按照約翰·霍普金斯大學理論物理學家蘇爾吉特·拉貞德蘭（Surjeet Rajendran）的說法，這些科學家空想的暗物質粒子是可以從多個途徑對我們已知的粒子施加影響的。如果暗物質真的存在，那么MAGIS-100應該能夠觀測到兩種相關的現象：常數偏移以及第5種基本力（還未被確認）。它們都應該是由一種質量僅有電子萬億分之一的粒子引起的。與現有的設備相比，MAGIS的優勢就在于它的敏感度提高了數百甚至數千倍，能夠識別細微的差別。

有科學家傾向于按照理論預測，針對性地尋找特定的粒子；也有科學家更傾向于在技術允許的范圍內廣泛撒網。高能粒子對撞機已經對引力和強相互作用力領域的粒子做了非常透徹的搜索，但是物理學的標準模型似乎還差幾片關鍵的拼圖。

“我總覺得，研究更輕質量的物質更容易獲得成果。” 華盛頓大學的物理學家格雷·里布卡（Gray Rybka，并未參與這項研究）說，“有很多人抱有同樣的想法，人數在過去10年間大概增加了好幾倍。”阿瓦尼塔基則認為，即使不知道要找的東西是什么，MAGIS也會大大拓展實驗物理領域的疆界。

如果MAGIS-100無法探測到暗物質，至少還能為引力波探測服務。雖然MAGIS-100本身并不能直接探測引力波，但是它可以用于測試和開發未來所需的技術。

比如，在那條用于探測原子云墜落的豎井的基礎上，開發出足以捕捉微小空間擾動的裝置。這種裝置同時還可以用來探測特定的時空漣漪，它能覆蓋那些對LIGO來說太低而對激光干涉空間天線（LISA）來說又太高的頻率。比如，由未經歷對撞的黑洞和中子星發出的引力波。另外，設備升級為MAGIS-1000后，還可以作為類似天體對撞的預警裝置。

目前，相關研究人員非常希望MAGIS-100能在暗物質的研究上獨辟蹊徑。“我們必須盡最大的努力，”美國西北大學負責激光系統開發的蒂姆·科瓦奇（Tim Kovachy）說，“事在人為，堅持不懈。”