“全息干涉儀”讓宇宙探測跨進(jìn)量子級(jí)

　　引力波模擬圖

　　據(jù)近日美國《基督教科學(xué)箴言報(bào)》在線版文章稱，德國引力波探測器GEO 600的一項(xiàng)奇怪發(fā)現(xiàn)，不但可能沖擊現(xiàn)有宇宙理論，還引發(fā)美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開始建造一個(gè)“全息干涉儀”，將探測深入到“普朗克長度”，以便更進(jìn)一步觀察宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)及這一結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)――引力波。
　　引力波被稱為“愛因斯坦廣義相對(duì)論中最后一個(gè)尚未被證明是對(duì)的組成部分”，新探測儀器的出現(xiàn)有可能使人們直接觀測到時(shí)間的不連續(xù)性，亦將帶領(lǐng)人們發(fā)掘宇宙起源最深處的奧秘。
　　激光干涉追尋時(shí)空波紋
　　引力波其實(shí)是愛因斯坦對(duì)于萬有引力本質(zhì)的理解。他認(rèn)為引力場有一種跟電磁波一樣的波動(dòng)，是為引力波。而引力波表現(xiàn)為時(shí)空曲率的擾動(dòng)，以行進(jìn)波的形式向外傳遞，其傳播速度等于光速。
　　按道理，引力波存在且無處不在，深空中的突變性事件，如超新星爆發(fā)、黑洞形成、大型天體相撞這些過程，都能輻射出較強(qiáng)引力波。但事實(shí)上，以往在地球上進(jìn)行的引力波直接搜尋的所有努力都以失敗告終。其原因在于，波動(dòng)雖能造成地球上各處相對(duì)距離的變動(dòng)，但當(dāng)它們到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)變得非常弱了，對(duì)于地球上最先進(jìn)的引力波探測器來說，其變動(dòng)的數(shù)量級(jí)小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。因而盡管引力波毫不模糊且被公認(rèn)，卻一直只能是廣義相對(duì)論的預(yù)言。
　　但科學(xué)家們可不滿足于這一點(diǎn)。于是，基于激光干涉原理的引力波探測器被建造出來。這一類型的探測器通過測量兩條激光束相遇時(shí)所形成的干涉圖像的變化來探測引力波，干涉圖像依賴于激光束的傳播距離，當(dāng)引力波穿過時(shí)激光束的傳播距離會(huì)相應(yīng)變化。
　　因?yàn)槟繕?biāo)是非常微弱的信號(hào)，引力波探測器的敏感度需達(dá)到幾乎難以想象的程度。以德國引力波探測器GEO 600來講，其對(duì)距離上極微小的變化都非常敏銳，甚至可探測到日地距離所發(fā)生的原子半徑級(jí)別的變化。不過，這種激光干涉計(jì)的探測器靈敏度要與激光傳播的距離成比例的話，一般來講其尺寸都非常可觀。
　　“奇怪波動(dòng)”挑戰(zhàn)現(xiàn)有認(rèn)知
　　德國的GEO 600并不是新產(chǎn)物了，其已默默工作有些時(shí)日。然而，在近期利用其搜尋引力波的過程中，物理學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)了令人迷惑的現(xiàn)象――這一高科技設(shè)備雖然還沒有找到引力波存在的證據(jù)，但卻發(fā)現(xiàn)了大量的噪音。
　　這就有必要簡單描述一下這類探測器的工作過程。以GEO 600為例，其要實(shí)現(xiàn)功能，需要發(fā)射一束激光穿過600米的隧道，再將激光分裂成兩束，經(jīng)過反射的一束以及未經(jīng)反射的一束均進(jìn)入干涉儀。當(dāng)引力波經(jīng)過這部分空間的時(shí)候，兩束激光之間的微小位移將會(huì)由干涉儀進(jìn)行探測。即便這種距離的變化非常之微妙，但如果引力波探測器有結(jié)果，那就很可能是引力波通過時(shí)引起的。
　　而今GEO 600的“噪音”讓研究人員無從解釋，在剔除了所有人為因素的影響之后仍不得要領(lǐng)，他們于是向費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家克雷格?霍根尋求幫助，希望他利用量子力學(xué)上的專業(yè)知識(shí)幫助闡明這一不規(guī)則的噪音。
　　霍根反饋的意見讓人震撼又迷惑。他說：“看上去GEO 600受到了時(shí)空微觀量子級(jí)別的沖擊。”換句話說，GEO 600探測到的并不是來自什么噪音源，而是時(shí)空本身發(fā)生的量子級(jí)別波動(dòng)。
　　這一看法的深層意義在于：根據(jù)愛因斯坦對(duì)宇宙的認(rèn)知，時(shí)空應(yīng)該是連續(xù)平滑的，而照霍根的結(jié)論推測時(shí)空實(shí)際上是不連續(xù)的，是由一系列量子點(diǎn)組成。其直指愛因斯坦的理論需要修正。
　　全新探測器進(jìn)入量子尺度
　　量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理意味著一些基本量度如長度和時(shí)間具有測不準(zhǔn)性。而測不準(zhǔn)的程度由普朗克常數(shù)確定，該常數(shù)可以定出最小長度量子――“普朗克長度”，比其更短的長度是沒有意義的。
　　現(xiàn)在，要證明“奇怪波動(dòng)”的來源，研究人員就需要深入到“普朗克長度”――10-35米進(jìn)行探測，而GEO 600實(shí)驗(yàn)中探測到的噪音尺度不到10-15米。因此需要提升引力波探測儀的分辨率，這導(dǎo)致了“全息干涉儀”的產(chǎn)生。
　　“全息干涉儀”是利用全息照相的方法來進(jìn)行干涉計(jì)量，其與一般光學(xué)干涉檢測方法很相似，但獲得相干光的方式不同。光學(xué)干涉檢測方法獲得相干光的方式如前所述，一般是將同一束光的振幅分為兩個(gè)部分，但全息干涉計(jì)量術(shù)則是將同一束光在不同時(shí)間的波前來進(jìn)行干涉，可以看作是一種波前的時(shí)間分割法。這就使相干光束由同一光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生，可以消除系統(tǒng)誤差。
　　霍根認(rèn)為，GEO 600在其尺度上發(fā)現(xiàn)的噪音是由于宇宙“視界”(天文學(xué)中黑洞的邊界，在此邊界以內(nèi)的光無法逃離)的全息投射造成的。霍根比喻說，這就像一張圖片越放大就會(huì)越模糊甚至像素化，宇宙“視界”投射其實(shí)發(fā)生在普朗克尺度中，所以在我們所身處的時(shí)空尺度上，這一投射發(fā)生了模糊。
　　而要驗(yàn)證霍根的結(jié)論，目前最值得依賴的就是這臺(tái)“全息干涉儀”。其現(xiàn)正由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室全力打造，它必將比GEO 600探測到更小的尺度，從而進(jìn)入到量子尺度。如果霍根的看法是正確的，探測器將能探測到時(shí)空結(jié)構(gòu)中的量子噪聲，給我們現(xiàn)有對(duì)宇宙的認(rèn)知帶來巨大的沖擊。


科技日?qǐng)?bào) 2011-1-19