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willhill中国·爱因斯坦:人类可能无法探测引力波如今量子力学或可大发布时间:2024-05-19 06:39:43 来源:williamhill中国官网 作者:williamhill威廉希尔官网     

  根据爱因斯坦的广义相对论,科学家们发现了一个完全不同的物理世界,并用它来预测许多物理现象,如黑洞、虫洞等天体,以及水星的进动现象以及天体效应的引力透镜等等。在爱因斯坦的所有预言中,最令人惊奇的恐怕就是引力波了。

  甚至在提出引力波概念时,爱因斯坦自己也认为它太弱了,人类未必能探测到它的存在。不过随着人类科技的发展,我们的设备终于可以证明这个神奇的现象了。即便如此,科学家们仍然需要使用数公里长的激光干涉仪阵列来探测它的蛛丝马迹。

  2016年2月11日,科学家利用激光干涉引力波天文台(简称:LIGO)首次探测到双黑洞并合引力波现象在广义相对论提出101年后再次证明了爱因斯坦的预言。此后,科学家们利用世界上第一台观测设备捕获了多个引力波信号。但是,引力波的探测难度还是很大的,没有强大庞大的观测设备是无法观测到的。

  近日,一个科学团队在《新物理学杂志》上发表了一篇论文,提出了一种探测引力波的新方法。令人惊讶的是,最新的检测方法不需要这么庞大的设备,甚至可以在一张桌子上完成。因为这种方法虽然检测的是相对论现象,但使用的原理属于量子力学领域。

  他们设计的“探测器”其实是一颗钻石。与普通钻石不同,它们用一个氮原子取代了其中一个碳原子。这样,金刚石比其原始状态多包含一个电子。而这个电子就是探测引力波的关键。

  我们知道电子是自旋为半整数的费米子。也就是说,它的自旋可以处于叠加态。如果用激光照射钻石,多余的电子可以处于叠加状态,可以是向上的,也可以是向下的。换句话说,只有测量了,才能知道是涨还是跌。

  叠加态最好的例子就是薛定谔的猫,但是很多人自以为理解叠加态,其实是有很大的误解。薛定谔的猫最初是为了反驳叠加态而提出的,而所谓的叠加态猫并不是既死又活,而是处于另一种状态。科学家说,叠加态就像一枚不断旋转的硬币。只有按住它,才能知道它是正面朝上还是尾部朝上。但是,在您按住它之前,正面和背面都不会朝上。

  团队指出:我们可以将这颗钻石置于磁场中,利用磁场改变其叠加态,从而使两种不同的自旋态发生偏移,其中一个偏向北极,另一个偏向北极朝向南极。在这种情况下,当引力波穿过钻石时,不同的自旋状态会受到不同的影响。通过检测差异,可以检测到引力波。

  还是用硬币类比,如果我们正常旋转硬币,如果测量的次数足够多,我们会发现正面和反面的数量基本相等。但是,如果加上引力波,就好像硬币变得一面重,另一面轻。自然,越轻的一面出现的概率就越高。

  更重要的是,这个“仪器”线公斤的纳米级金刚石晶体。然而,这绝不意味着它的复杂度低。事实上,即使采用这种方法,探测引力波的难度仍然很高。

  据介绍,这种检测方式对实验室的要求非常高。首先,我们需要屏蔽外界的电磁干扰,否则达不到预期的效果。另外,这也要求这个实验需要在自由落体状态下进行,所以要么给它安排一个特定的轨道,要么设置一个比较长的动力轴。

  虽然他们已经从理论上证明了这种方法的可行性,但还有待实践证明。团队中的研究员、论文通讯作者RyanJMarshman表示,他们接下来要联系实验者。鉴于实验的难度,他们预测这个大胆的想法可能需要几十年才能实现。

  即便如此,这种尝试还是值得的,不仅可以节省大量空间,还可以提供前所未有的引力波探测精度。同时,它还能做一些LIGO做不到的工作。

  对于科学家来说,引力波是一个很棒的工具,让我们能够探测到宇宙中一些最极端的现象。即使是黑洞这样的天体,虽然我们无法真正看到它,但我们可以通过双黑洞并合时产生的引力波,了解到一些关于这个神秘天体的本质。同样,我们对中子星也有很多未知数。但是,借助双中子星并合时产生的引力波,我们可以了解中子星破碎时发生了什么,了解中子星的核心,这是平时无法直接观测到的。

  尽管功能强大,但作为“宇宙工具”的引力波需要强大的工具才能探测到。不过,这样的努力是必要的,这是我们了解宇宙的重要途径。爱因斯坦已经为我们指明了方向,我们还需要通过自己的脚步才能到达那个伟大的归宿——宇宙。


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