引力波模擬圖

 

    今日視點 

    德國引力波探測器GEO 600的一項奇怪發現，不但可能衝擊現有宇宙理論，還引發美國費米國家實驗室的科學家們開始建造一個「全息干涉儀」，將探測深入到「普朗克長度」，以便更進一步觀察宇宙的時空結構及這一結構中的波動——引力波。

    引力波被稱為「愛因斯坦廣義相對論中最後一個尚未被證明是對的組成部分」，新探測儀器的出現有可能使人們直接觀測到時間的不連續性，亦將帶領人們發掘宇宙起源最深處的奧秘。

    激光干涉追尋時空波紋

    引力波其實是愛因斯坦對於萬有引力本質的理解。他認為引力場有一種跟電磁波一樣的波動，是為引力波。而引力波表現為時空曲率的擾動，以行進波的形式向外傳遞，其傳播速度等於光速。

    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、黑洞形成、大型天體相撞這些過程，都能輻射出較強引力波。但事實上，以往在地球上進行的引力波直接搜尋的所有努力都以失敗告終。其原因在於，波動雖能造成地球上各處相對距離的變動，但當它們到達地球的時候已經變得非常弱了，對於地球上最先進的引力波探測器來說，其變動的數量級小於一顆質子直徑的千分之一。因而儘管引力波毫不模糊且被公認，卻一直只能是廣義相對論的預言。

    但科學家們可不滿足於這一點。於是，基於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所形成的干涉圖像的變化來探測引力波，干涉圖像依賴於激光束的傳播距離，當引力波穿過時激光束的傳播距離會相應變化。

    因為目標是非常微弱的信號，引力波探測器的敏感度需達到幾乎難以想像的程度。以德國引力波探測器GEO 600來講，其對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生的原子半徑級別的變化。不過，這種激光干涉計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」挑戰現有認知

    德國的GEO 600並不是新產物了，其已默默工作有些時日。然而，在近期利用其搜尋引力波的過程中，物理學家偶然發現了令人迷惑的現象——這一高科技設備雖然還沒有找到引力波存在的證據，但卻發現了大量的噪音。

    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，其要實現功能，需要發射一束激光穿過600米的隧道，再將激光分裂成兩束，經過反射的一束以及未經反射的一束均進入干涉儀。當引力波經過這部分空間的時候，兩束激光之間的微小位移將會由干涉儀進行探測。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果，那就很可能是引力波通過時引起的。

    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後仍不得要領，他們於是向費米實驗室的科學家克雷格·霍根尋求幫助，希望他利用量子力學上的專業知識幫助闡明這一不規則的噪音。

    霍根反饋的意見讓人震撼又迷惑。他說：「看上去GEO 600受到了時空微觀量子級別的衝擊。」換句話說，GEO 600探測到的並不是來自什麼噪音源，而是時空本身發生的量子級別波動。

    這一看法的深層意義在於：根據愛因斯坦對宇宙的認知，時空應該是連續平滑的，而照霍根的結論推測時空實際上是不連續的，是由一系列量子點組成。其直指愛因斯坦的理論需要修正。

    全新探測器進入量子尺度

    量子力學的測不准原理意味著一些基本量度如長度和時間具有測不准性。而測不准的程度由普朗克常數確定，該常數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。

    現在，要證明「奇怪波動」的來源，研究人員就需要深入到「普朗克長度」——10-35米進行探測，而GEO 600實驗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，這導致了「全息干涉儀」的產生。

    「全息干涉儀」是利用全息照相的方法來進行干涉計量，其與一般光學干涉檢測方法很相似，但獲得相干光的方式不同。光學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部分，但全息干涉計量術則是將同一束光在不同時間的波前來進行干涉，可以看作是一種波前的時間分割法。這就使相干光束由同一光學系統所產生，可以消除系統誤差。

    霍根認為，GEO 600在其尺度上發現的噪音是由於宇宙「視界」(天文學中黑洞的邊界，在此邊界以內的光無法逃離)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越模糊甚至像素化，宇宙「視界」投射其實發生在普朗克尺度中，所以在我們所身處的時空尺度上，這一投射發生了模糊。

    而要驗證霍根的結論，目前最值得依賴的就是這台「全息干涉儀」。其現正由費米實驗室全力打造，它必將比GEO 600探測到更小的尺度，從而進入到量子尺度。如果霍根的看法是正確的，探測器將能探測到時空結構中的量子噪聲，給我們現有對宇宙的認知帶來巨大的衝擊。