激光干涉儀引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）宣布第三次探測(cè)到引力波不過(guò)一月有余，近日美國(guó)《連線》雜志報(bào)道稱(chēng)，幾位獨(dú)立物理學(xué)家對(duì)2016年2月LIGO第一次探測(cè)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(xiě)信表示，他們對(duì)當(dāng)時(shí)的引力波觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)了無(wú)法解釋的關(guān)聯(lián)噪音，這意味著，當(dāng)時(shí)探測(cè)到的可能根本不是真正的引力波信號(hào)，而是聲音大一點(diǎn)的噪音。
雖然有LIGO科學(xué)合作會(huì)成員公開(kāi)駁斥了質(zhì)疑，認(rèn)為噪音結(jié)論可能是代碼錯(cuò)誤所致，但因激光干涉儀激光會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)，量子噪音會(huì)對(duì)引力波探測(cè)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(huì)銷(xiāo)聲匿跡。
分別位于美國(guó)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(xiàng)目組在德國(guó)GEO600探測(cè)儀不斷測(cè)試其新技術(shù)，利用光電子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展對(duì)激光進(jìn)行壓縮，將LIGO探測(cè)器的靈敏度提高了50%。而一些量子物理學(xué)家們雖然沒(méi)有參與引力波探測(cè)，但為提高引力波探測(cè)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(cè)器的靈敏度提高一倍。
量子噪音帶來(lái)的“煩惱”
LIGO的兩個(gè)干涉儀分別位于美國(guó)南海岸利文斯頓和西北海岸的漢福德，每個(gè)干涉儀都由相互垂直成L形的兩個(gè)4千米長(zhǎng)真空鋼管臂組成，每個(gè)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(guò)干涉儀時(shí)，激光束會(huì)分成兩束分別沿著兩個(gè)管臂行進(jìn)。
當(dāng)有引力波出現(xiàn)時(shí)，其中一個(gè)管臂會(huì)伸長(zhǎng)，而另一個(gè)管臂會(huì)被壓縮，使得兩束激光沿著兩個(gè)管臂行進(jìn)的距離不同，當(dāng)再次相遇時(shí)就會(huì)變得不同步。利用這個(gè)原理，LIGO的靈敏度足以探測(cè)到只有質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一（即10-19米）的目標(biāo)移動(dòng)距離。因此，即使引力波信號(hào)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(lái)自背景噪音的干擾。對(duì)于遠(yuǎn)處卡車(chē)隆隆聲以及溫差波動(dòng)等的干擾，科學(xué)家們已經(jīng)有了應(yīng)對(duì)之策，但激光器所產(chǎn)生的激光光束的量子力學(xué)波動(dòng)噪音，往往會(huì)將微弱的引力波信號(hào)淹沒(méi)。到達(dá)LIGO探測(cè)器的激光束內(nèi)的光子數(shù)量不確定性，給移動(dòng)距離的測(cè)量也帶來(lái)不確定性；不知道具體數(shù)量的光子，通過(guò)撞擊LIGO鏡面時(shí)施加的動(dòng)量沖力，也造成了鏡面移動(dòng)，進(jìn)一步增加了測(cè)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(shí)驗(yàn)組與德國(guó)GEO600引力波探測(cè)儀項(xiàng)目組合作，采用壓縮光技術(shù)來(lái)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(jìn)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(guò)增加光的一種特征波動(dòng)來(lái)減少光的另一種特征波動(dòng)。
GEO600靈敏度雖然不及LIGO，但LIGO所用的多項(xiàng)核心技術(shù)都是GEO600團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家提出設(shè)想并在GEO600完成測(cè)試的。GEO600項(xiàng)目科學(xué)家提出，通過(guò)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(cè)的精度，而通過(guò)壓縮光技術(shù)減少激光動(dòng)量的波動(dòng)，可提高探測(cè)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(dòng)，要么只能減少激光動(dòng)量波動(dòng)，不能同時(shí)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(guò)濾空腔”的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種激光量子噪音的同步壓縮，以改進(jìn)LIGO對(duì)引力波全波段探測(cè)的靈敏度。
新技術(shù)是個(gè)“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(tuán)隊(duì)完成。他們讓激光在撞擊目標(biāo)之前，先通過(guò)氣態(tài)金屬銫原子云，向激光施加一個(gè)反方向的動(dòng)力，將激光的動(dòng)量波動(dòng)完全“抵消”，從而將量子效應(yīng)帶來(lái)的不確定性降低了34%。
波茲克團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始與莫斯科大學(xué)和俄羅斯量子中心開(kāi)展合作，進(jìn)一步對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。馬克斯·普朗克引力波物理學(xué)研究所和LIGO等機(jī)構(gòu)的研究人員也在與波茲克團(tuán)隊(duì)商討合作事宜。
雖然這一新技術(shù)還沒(méi)在引力波探測(cè)中進(jìn)行驗(yàn)證，但LIGO項(xiàng)目組成員、美國(guó)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(jì)結(jié)果顯示，該技術(shù)非常具有潛力。波茲克表示，再經(jīng)過(guò)5到10年的發(fā)展，該技術(shù)或能將引力波探測(cè)儀的靈敏度提高一倍。
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