发布时间：2024-10-25 10:10:59 栏目：精选知识
研究人员展示了如何利用冷原子在实验室中模拟引力波。
当两个黑洞相撞时，空间和时间都会震动，能量会像池塘里的涟漪一样扩散开来。这些引力波是爱因斯坦在 1916 年预测的，2015 年 9 月首次被激光干涉引力波天文台 (LIGO) 望远镜观测到。观测引力波是一项深不可测的复杂工程：要探测到太阳系大小的引力波，必须测量小于原子核直径的长度变化。
但现在，冲绳科学技术研究所 (OIST)、东北大学和东京大学的研究人员提出了一种通过冷原子量子凝聚态在实验室工作台上模拟引力波的方法。这些科学家都是 OIST 量子物质 理论部门的现任或前任成员 ，他们的研究成果现已发表在《物理评论 B》杂志上，该论文被选为编辑推荐论文。
“爱因斯坦的广义相对论改变了我们对空间和时间的看法，”这项研究的资深作者、该部门负责人尼克·香农教授回忆道。“它告诉我们，空间可以弯曲形成黑洞，也可以振动，产生以光速穿越宇宙的波。这些引力波包含有关我们宇宙的重要信息。问题是它们非常非常难以观测。”
为了应对这一挑战，科学家们建造了巨型引力波望远镜，如美国的 LIGO、欧洲的 Virgo 干涉仪和日本的神冈引力波探测器 (KAGRA)。但即使有了这些直径达数公里的仪器，我们也只能探测到来自最剧烈的天文事件(如黑洞碰撞)的引力波。
另一种方法是探索地球上模拟广义相对论不同方面的现象。偶然间，该团队意识到，他们在实验室中研究的一种量子现象，即磁铁和冷原子，可以提供引力波的精确模拟。
东京大学的韩彦教授说：“这个结果很重要，因为它使得在更简单的实验环境中模拟和研究引力波成为可能，并利用这些结果帮助我们理解真实的引力波。”
除了对引力波的预测之外，爱因斯坦还预测，玻色子(一种量子粒子)在冷却后会处于一种允许形成玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的状态，即一组粒子可以完美协同作用。
该团队专注于研究一种特定类型的 BEC 物质，即自旋向列相。Shannon 教授解释说：“向列相在我们周围随处可见，在我们的智能手机、平板电脑和电视的液晶显示器 (LCD) 中。”在 LCD 中，微小的棒状分子均匀排列，控制屏幕中的光流。OIST 团队一直在研究液晶的量子版本，即自旋向列相。与 LCD 中的分子不同，自旋向列状态下的量子粒子支持波，波会在整个系统中传输能量。Shannon 教授说：“我们意识到自旋向列状态下的波的性质在数学上与引力波的性质相同，并且由于之前与 Rico Pohle 教授和 Yutaka Akagi 教授合作，我们知道如何模拟这些波。”
“我一直对这一事实着迷，我们可以用非常相似的底层数学结构来描述看似不同的现象，对我来说，这是物理学最美妙的部分，”OIST 部门的 Leilee Chojnacki 博士和这项研究的主要作者说。“所以，我很兴奋能够研究两个非常不同的物理学分支，引力波和冷原子量子物理学，并以一种以前从未探索过的方式将它们结合在一起。”
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